含偏高嶺土高性能混凝土的自收縮試驗研究

【摘 要】在合適的生產技術條件下，通過研磨和煅燒高嶺土制備偏高嶺土（MK），研究了摻MK高性能混凝土的自收縮。結果表明，MK對高性能混凝土的自收縮有有效的抑制作用，添加了MK將會增加水泥早期自收縮的抑制作用。從澆筑后的24小時到56天內這種對混凝土自收縮的抑制作用均高于對照組混凝土，其中摻15%的MK的抑制作用最高。澆注24小時后，隨MK的增加混凝土總收縮量將大幅降低，低于對比組試件的收縮值。

【關鍵詞】高性能混凝土；偏高嶺土；自收縮；總自收縮

【Abstract】Under appropriate technical conditions of production， prepared by grinding calcined kaolin and metakaolin （MK）， MK research doped high performance concrete from contraction. The results showed that， MK for autogenous shrinkage of high performance concrete has potent inhibitory effect， adding MK inhibition of early cement will increase from contraction. From 24 hours to 56 days after pouring concrete from this inhibition were higher shrinkage of concrete， which mixed with 15% of maximum inhibition of MK. 24 hours after pouring， with the MK increases the total amount of shrinkage of concrete will be significantly lower， lower than the control group shrinkage specimens.

【Key words】High-performance concrete；Metakaolin；Self-contraction；Total self-contraction

1. 引言

（1）上世紀80年代以來，基于混凝土技術的進步，高強高性能混凝土越來越多地應用于各種類型的建筑結構。混凝土材料強度的提高，可以有效的降低建筑物的自重，尤其適宜高層建筑和大跨度橋梁的建造。相對于普通混凝土，使用高性能混凝土還能夠減少資源的消耗，有利于可持續發展。但是，不管是在實際工程應用中，還是在試驗室都發現，高性能混凝土普遍具有發生早期裂紋的趨勢，混凝土結構裂紋的產生大部分是由于混凝土收縮引起的，然而荷載引起的裂縫很少。

（2）高性能混凝土目前存在三個問題，它們分別是：抗凍性、收縮和耐久性，而收縮在這三個問題中是重中之重。在實際工程中，人們大都只關心混凝土總的收縮，混凝土的總的收縮實際上卻包括各種原因引起的收縮：對于普通混凝土，干縮是主要的；而對于高性能混凝土，自收縮問題也不容忽視。區別不同的收縮，有助于采取相應的措施減少收縮，以防止或減少混凝土的開裂。

（3）自收縮在自應力高性能混凝土中是一個重要的研究課題。在混凝土中，自收縮是在溫度和濕度不斷變化而且是初步凝結的條件下進行的。對于高性能混凝土，由于它的水膠比很低，早期強度較高地發展會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%，并且高性能混凝土結構較密實，外界水很難滲入補充，在這種條件下開始產生自收縮。有研究表明，2個月齡期，水膠比為0.4的高性能混凝土自收縮為1×10-4mm；水膠比為0.3的高性能混凝土的自收縮為2×10-4mm；水膠比為0.17的高性能混凝土的自收縮為8×10-4mm。高性能混凝土的總收縮中干縮和自收縮幾乎是相等的。為了減少混凝土宏觀體積的收縮，在本文中，對高性能混凝土中加入偏高嶺土（MK）進行研究其自收縮，并與混凝土的干收縮作對比。

2. 實驗

2.1 儀器。

混凝土收縮膨脹儀（圖1），用于測定混凝土試件在規定的溫濕度條件下的長度（體積）變化。

2.2 制備偏高嶺土。

2.2.1 在合適的生產技術條件下，通過研磨和煅燒高嶺土制備偏高嶺土（MK）。Al2O3·2SiO2·2H2O-AS2H2脫水，在較高的溫度下形成Al2O3·2SiO2-AS2。高嶺土的化學成分列于表1。

2.2.2 為了研究MK的活性，分別采用在700 oC 、750 oC 、800 oC和850oC煅燒條件下的MK，用抗壓強度來比較其活性。此外，為了判斷細度對MK活性的影響，有兩種細度的MK進行試驗。結果在表2中給出。

2.2.3 對抗折強度和抗壓強度的分析可以得出以下結論：（1）在750 oC時，火山灰的活性是最高的。（2）含有10%～15%MK的水泥混凝土試件的強度是最高的。（3）摻有較高細度MK的水泥試件（B2、C2組）具有較高的抗折強度和抗壓強度。

2.3 混凝土配合比（MK 混凝土配比見表3）。

當原料在750 oC時煅燒，MK的密度大約是2.51g/cm3，細度為80μm的篩余約0.01g。混凝土的配合比見表3。“O”代表標準的高性能對比試件， M5，M10和M15分別表示水泥混凝土中含有5%、10%和15%的MK。

3. 試驗結果與討論

3.1 摻MK的混凝土的物理力學性能如表4、表5所示。

（1）試驗結果表明：摻加MK能提高混凝土的強度。抗壓強度的順序是M10> M15> M5>O （見表4），抗壓強度隨著齡期的增加而逐漸增強。

（2）此外，對于摻有MK的水泥混凝土試件的抗壓彈性模量大于對比組試件。抗拉強度和抗折強度都大于對比組試件。抗壓強度與抗折強度的比值反映了材料的脆性，如果比值越大，脆性越大；相反比值越小，脆性將越小（見表5）。在脆性水泥混凝土中，摻有MK的混凝土的脆性是逐漸降低的。綜合考慮抗壓、抗拉和抗折強度，M10組有較好的表現。

3.2 混凝土的自收縮。

（1）在高性能水泥混凝土中，齡期和自收縮值之間具有不同的關系，如圖2～圖5顯示。圖2和圖3分別顯示了MK水泥混凝土在兩個時期自收縮的趨勢。

（2）圖2表明，在早期收縮中，MK發揮了良好的作用。在開始的24h，自收縮值隨著MK的增加而下降。與標準混凝土試件收縮值相比，摻有不同百分比的MK的水泥混凝土，摻量從5%，10%和15%，自收縮值分別減少了17%，42%和65% 。在此期間，自收縮值的減少與MK的摻量有關，在早期階段MK可以推遲水泥水化，而且摻入MK越多，推遲影響越明顯。隨著摻入MK的增加，自收縮值逐漸下降。圖3表明，從24h到14d摻加了MK的水泥混凝土試件的自收縮值顯著降低，這可能是由于以下原因：摻入偏高嶺土的混凝土具有較好的多孔結構，這些多孔結構有利于外部水氣的進入，大大的改善了微孔結構中混凝土內部水的缺失，這樣可以加速水泥水化，早期強度較高地、較快地發展，在這種條件下可以減緩混凝土的自收縮，從而降低其收縮能力。摻入MK的混凝土自收縮能力隨著摻入MK的增加而下降，這可能是因為增加了MK的比例，AS2/CH的比值在增大，從而使無水硅酸鋁（AS2）和Ca（OH）2生成水化鈣鋁黃長石（C2ASH8），使水化鈣鋁黃長石（C2ASH8）增多，而使水化鋁酸四鈣（C4AH13）減少，而水化鈣鋁黃長石（C2ASH8）是一種復相多孔結構，這也就是MK混凝土中為何有較多的多孔結構的原因了。

（3）圖3和圖4顯示的變化可知，通過對MK水泥混凝土56d的試驗中，在最初的幾天內抑制自收縮變化比較明顯，而在

后期，對混凝土的自收縮的抑制均不明顯。但對于56d總的自收縮，都是不高于對比的混凝土試件。對比的混凝土收縮率分別為5% ，10%和15% ，而摻入MK的混凝土隨著MK摻量的不同分別減少了2% ，13%和33%。

（4）圖5顯示了24h后到56d總的收縮值，總收縮值包括在24h自收縮值和環境干縮所造成的干燥收縮值。MK對混凝土總的收縮值的影響是很明顯的：它的減少與MK的增加相關。一般水泥混凝土的收縮率為5% ，10%和15% ，而MK水泥混凝土減少了11% ，20%和29% 。通過圖3和圖5的比較 ，明確得出，摻有MK的混凝土在24h之外其總的收縮主要是由于除了自收縮以外的其它收縮，比如干燥收縮、碳化收縮和化學收縮。表6也同樣表明，從混凝土澆筑到24h內，MK對抑制混凝土自收縮的效果是顯著的。這與在MK對混凝土改善的微孔結構中混凝土內部水的損失有關。

4. 結論

（1）MK可以很好的抑制高性能混凝土的早期收縮（24h之內），這種抑制作用隨著MK的增加而增強。

（2）從24h到56d，添加了MK的混凝土，其自收縮值均低于那些對比試件，特別是含有15%MK的混凝土試件的自收縮值是最低的。

（3）從24小時到56天，添加了MK的混凝土，總收縮值是隨著MK的增加而逐漸減少的，而且一直是低于對比組試件的總收縮值，這對混凝土耐久性是非常有幫助的。

[文章編號]1619-2737（2015）06-20-649

[作者簡介] 薛鵬飛（1985.12-），男，畢業時間：2011年7月，畢業院校：天津城建大學，專業：材料科學與工程，職稱：助理工程師，研究方向：外加劑對水泥及混凝土的性能影響，工作單位：天津市建筑科學研究院有限公司。