偏高嶺土砂漿耐久性研究

劉興平，丁華柱，都增延，陳源偉，周白露

（1重慶市慧江混凝土有限公司，重慶400063；2重慶朝國(guó)混凝土有限責(zé)任公司，重慶401433；3重慶建工建材物流有限公司，重慶401122；4重慶緯駿水泥制品有限責(zé)任公司，重慶401519；5重慶馳旭混凝土有限公司，重慶402247）

偏高嶺土砂漿耐久性研究

劉興平1，丁華柱2，都增延3，陳源偉4，周白露5

（1重慶市慧江混凝土有限公司，重慶400063；2重慶朝國(guó)混凝土有限責(zé)任公司，重慶401433；3重慶建工建材物流有限公司，重慶401122；4重慶緯駿水泥制品有限責(zé)任公司，重慶401519；5重慶馳旭混凝土有限公司，重慶402247）

偏高嶺土組成穩(wěn)定，來(lái)源廣泛，作為水泥混凝土礦物摻合料，其火山灰活性可以與硅灰相當(dāng)，因此采用偏高嶺土來(lái)制備高性能混凝土的潛力巨大。該試驗(yàn)研究了0%、10%和30%三種偏高嶺土摻量下的水泥膠砂試件在鹽酸侵蝕和硫酸鹽侵蝕兩種侵蝕環(huán)境下的耐久性和抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明：當(dāng)偏高嶺土摻量為10%時(shí)，能夠顯著提高水泥混凝土的耐久性和抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，特別是抗硫酸鹽侵蝕性能；而偏高嶺土摻量達(dá)到30%時(shí)，其改善效果反而不及10%摻量。

偏高嶺土；酸侵蝕；硫酸鹽侵蝕；火山灰質(zhì)材料；混凝土耐久性

近年來(lái)，火山灰質(zhì)材料被廣泛使用，在于火山灰質(zhì)材料能夠明顯地降低碳排放、降低混凝土成本以及降低混凝土水化放熱，同時(shí)能夠降低混凝土滲透性，提高混凝土的耐久性[1-9]。偏高嶺土是一種重要的火山灰質(zhì)材料，能夠顯著提高水泥基材料的強(qiáng)度和耐久性。英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家近些年來(lái)也不斷地在研究偏高嶺土，已經(jīng)初步研究了其對(duì)水泥混凝土力學(xué)性能的影響。美國(guó)學(xué)者Caidrone[10-11]及Gruber K.A[12-13]通過(guò)對(duì)比摻加不同摻量偏高嶺土和硅灰粉后水泥膠砂的力學(xué)性能，研究表明：摻加相同摻量的偏高嶺土水泥的性能可以與摻加硅灰的水泥性能相媲美；同時(shí)，國(guó)內(nèi)外其他研究也表明[14-20]偏高嶺土對(duì)于水泥混凝土耐久性的改善有不同程度的提高。因此，偏高嶺土有希望取代硅灰，從而成為新一代的高活性礦物摻合料。

在混凝土化學(xué)侵蝕中，硫酸鹽侵蝕和鹽酸侵蝕是較為嚴(yán)重的侵蝕類(lèi)型。硫酸鹽侵蝕中，硫酸鹽主要來(lái)源于土壤、地下水以及海水，其主要導(dǎo)致混凝土長(zhǎng)期耐久性的失效，造成混凝土膨脹、開(kāi)裂直至混凝土結(jié)構(gòu)崩潰。硫酸鹽能夠與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)生成石膏和鈣礬石等，同時(shí)也會(huì)侵蝕C-S-H凝膠。硫酸鹽侵蝕程度主要受硫酸根離子濃度、環(huán)境溫度、水泥組成、水膠比、混凝土孔隙率以及是否使用礦物摻合料。當(dāng)混凝土遭受酸侵蝕時(shí)，其侵蝕速度非常快，酸會(huì)溶解混凝土中的氫氧化鈣和C-S-H凝膠導(dǎo)致混凝土鈣流失，其侵蝕程度主要受酸的種類(lèi)和濃度影響。

該試驗(yàn)的化學(xué)侵蝕環(huán)境采用硫酸鈉溶液和鹽酸溶液進(jìn)行模擬混凝土遭受硫酸鹽侵蝕和酸腐蝕環(huán)境，以研究偏高嶺土對(duì)水泥混凝土耐久性的影響。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

水泥采用重慶天助P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥，偏高嶺土采用湖南超牌，水泥及偏高嶺土化學(xué)組成見(jiàn)表1。

細(xì)集料采用天然砂，細(xì)度模數(shù)2.7；水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分組見(jiàn)表2，其中偏高嶺土摻量為等量取代水泥，侵蝕溶液為硫酸鈉溶液和鹽酸溶液，濃度均為5wt%質(zhì)量濃度。按0.5水膠比成型40mm×40mm×160mm的標(biāo)準(zhǔn)砂漿試件，試件成型24h后拆模，放置標(biāo)養(yǎng)環(huán)境養(yǎng)護(hù)至28d后，分別全浸泡在侵蝕溶液中。

表2 試件分組

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鹽酸侵蝕耐久性

圖1為各組試件浸泡在鹽酸溶液中隨齡期變化的質(zhì)量損失圖。從圖1可看出，在侵蝕齡期內(nèi)，三組試件均出現(xiàn)了明顯的質(zhì)量損失，其中未摻偏高嶺土的試件質(zhì)量損失最明顯，達(dá)到12.6%；偏高嶺土摻量10%時(shí)質(zhì)量損失最低，為3.8%。從質(zhì)量損失中可得出三組試件的耐久性：H10＞H30＞H0。

圖1 鹽酸侵蝕環(huán)境下質(zhì)量損失

為了進(jìn)一步驗(yàn)證三組試件在鹽酸侵蝕環(huán)境下的耐久性，以清水全浸泡為基準(zhǔn)組測(cè)試了90d侵蝕齡期內(nèi)六組試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，結(jié)果如圖2和圖3所示。偏高嶺土摻量0%和30%兩組試件在侵蝕90d齡期內(nèi)，其抗壓強(qiáng)度降低幅度最明顯，且兩組試件的抗壓強(qiáng)度幾乎沒(méi)有差別，而在清水浸泡中，三組不同摻量的偏高嶺土試件抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)了明顯的增長(zhǎng)；在清水浸泡和鹽酸浸泡環(huán)境中，偏高嶺土摻量10%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度最高；在圖3抗折強(qiáng)度結(jié)果中，其變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類(lèi)似，在鹽酸環(huán)境下試件的抗折強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯降低，結(jié)果與圖1質(zhì)量損失結(jié)果類(lèi)似，表明偏高嶺土摻量10%時(shí)，試件具有最好的耐久性。

圖2 鹽酸侵蝕環(huán)境下抗壓強(qiáng)度

圖3 鹽酸侵蝕環(huán)境下抗折強(qiáng)度

三組試件浸泡在鹽酸溶液中，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯降低主要在于：鹽酸能夠與試件內(nèi)部的氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯化鈣（化學(xué)反應(yīng)（1）和（2）），從而將鈣離子析出，隨pH的持續(xù)降低，鈣礬石、C-S-H凝膠等均會(huì)逐漸被分解，Ca/Si比明顯降低，從而大幅度降低試件的抗壓強(qiáng)度。

2.2 硫酸鹽侵蝕耐久性

基于此，本文針對(duì)兩端式同軌雙車(chē)運(yùn)行模式的貨位分配問(wèn)題進(jìn)行研究，根據(jù)貨位優(yōu)先級(jí)確定待選貨位，建立適合該模式的貨位分配模型，運(yùn)用集成多目標(biāo)生物地理學(xué)優(yōu)化(Ensemble Multi-objective Biogeography-Based Optimization, EMBBO)算法優(yōu)化求解，從而提高大型工業(yè)立體倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)效率及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4為硫酸鹽侵蝕環(huán)境下三組試件的質(zhì)量損失。從圖4看出，硫酸鹽侵蝕早期三組試件的質(zhì)量均出現(xiàn)了增長(zhǎng)，主要在于早期有大量的硫酸鹽擴(kuò)散進(jìn)入試件，增加了試件的密實(shí)度和質(zhì)量；質(zhì)量增長(zhǎng)最大的是未摻偏高嶺土組試件，表明該組試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比于其他兩組試件更疏松，偏高嶺土的摻入能夠明顯改善水泥混凝土的密實(shí)性，相比于未摻試件，其硫酸鹽擴(kuò)散進(jìn)入的量少。在180d侵蝕齡期內(nèi)，未摻偏高嶺土試件質(zhì)量損失最明顯，其硫酸鹽侵蝕破壞程度遠(yuǎn)高于其他兩組試件。10%摻量的偏高嶺土試件質(zhì)量損失最小，其次為30%摻量的偏高嶺土試件，并且摻入偏高嶺土后，試件的質(zhì)量損失均較小，在侵蝕180d時(shí)質(zhì)量損失均不超過(guò)0.2%。三組試件在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下的質(zhì)量損失變化規(guī)律與鹽酸侵蝕環(huán)境下類(lèi)似，均是10%摻量的偏高嶺土試件具有最好的耐久性。

圖5 和圖6分別為硫酸鹽侵蝕環(huán)境下和清水對(duì)比下六組試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。從圖5可看出，在整個(gè)試驗(yàn)齡期內(nèi)，六組試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度在試驗(yàn)早期均出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)，摻有偏高嶺土的試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增加更加明顯，表明偏高嶺土能夠明顯地改善水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能。在硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，試件早期齡期強(qiáng)度的增長(zhǎng)主要在于硫酸鹽的大量擴(kuò)散以及早期的硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物石膏和鈣礬石等在一定程度上密實(shí)了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，后期的強(qiáng)度降低則是大量的侵蝕產(chǎn)物吸水膨脹導(dǎo)致內(nèi)部裂縫增多以及C-S-H凝膠被侵蝕。同時(shí)，無(wú)論是在清水浸泡還是在硫酸鹽浸泡中，10%摻量的偏高嶺土試件抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)均是最大，其測(cè)試結(jié)果與圖2中類(lèi)似，即水泥混凝土中偏高嶺土摻量為10%時(shí)，水泥混凝土的耐久性能和力學(xué)性能最好，而偏高嶺土摻量達(dá)到30%時(shí)，其耐久性能和抗壓強(qiáng)度反而不如10%摻量。

圖5 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下抗壓強(qiáng)度

圖6 硫酸鹽侵蝕環(huán)境下抗折強(qiáng)度

水泥混凝土中加入偏高嶺土后，首先是偏高嶺土的二次水化反應(yīng)能夠消耗水泥混凝土中的氫氧化鈣，生成新的C-S-H凝膠，增加水泥混凝土的密實(shí)性；同時(shí)，偏高嶺土自身也具有密實(shí)效果，使水泥混凝土更加密實(shí)，從而有利于提高水泥混凝土的耐久性和抗壓強(qiáng)度。當(dāng)偏高嶺土摻量過(guò)高時(shí)，則是相對(duì)的降低了整個(gè)體系的水泥含量，降低了整個(gè)水泥混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境，在侵蝕環(huán)境中反而不利于水泥混凝土的后續(xù)耐久性和抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）在鹽酸侵蝕和硫酸鹽侵蝕兩種侵蝕環(huán)境中，偏高嶺土10%摻量時(shí)試件質(zhì)量損失最小，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最高，其次是30%摻量的偏高嶺土試件。

（2）鹽酸侵蝕主要造成的是水泥混凝土的溶蝕破壞，酸性環(huán)境能夠直接反應(yīng)水泥混凝土中的氫氧化鈣和溶解C-SH凝膠，從而造成水泥混凝土嚴(yán)重破壞。

（3）在侵蝕環(huán)境中偏高嶺土能夠明顯降低水泥混凝土的質(zhì)量損失，提高水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，特別是能夠大幅度改善水泥混凝土的抗硫酸鹽侵蝕能力。

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責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

窗外鋼結(jié)構(gòu)面層材料做法

城市建設(shè)中，過(guò)街天橋及建筑連廊等室外建筑均大量采用鋼結(jié)構(gòu)，然而在面層材料選擇時(shí)，往往忽略鋼結(jié)構(gòu)的以下三個(gè)特點(diǎn)。

（1）鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，柔性好，使用中有顫動(dòng)。

（2）若在室外用硬質(zhì)地材料與其緊密結(jié)合，會(huì)因熱脹冷縮性能不同而導(dǎo)致面層材料與基層脫離。

（3）鋼結(jié)構(gòu)承載能力較差，面層材料須盡量選輕質(zhì)材料。

結(jié)合以上特點(diǎn)，室外鋼結(jié)構(gòu)建筑的面層材料不宜選用地磚、石材等硬質(zhì)地材料，可選擇軟木構(gòu)件、塑料地板等柔性材料，考慮室外鋼結(jié)構(gòu)的美觀、防滑、實(shí)用、耐候、耐用的要求，面層選擇可用以下構(gòu)造。

（1）鋪設(shè)5mm厚聚氨酯硅PU塑膠面層，簡(jiǎn)單易行，荷載也不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)要求。

（2）噴涂室外地坪漆，能達(dá)到優(yōu)異的耐候性和裝飾性。

（3）鋪設(shè)PVC室外塑料地板，裝飾性與實(shí)用性一體。

（4）園林效果可鋪設(shè)木質(zhì)平臺(tái)塊，塊材間用室外膠連接固定。

以上是常用的室外鋼結(jié)構(gòu)面層做法，只要遵循鋼結(jié)構(gòu)和面層材料的性能特點(diǎn)，就可選出更多符合條件的面層材料。

Study on Durability of Metakaolin Mortar

Metakaolin is component stable and widely available,and its pozzolanic activity is comparable with that of silica fume when used as a mineral admixture for cement concrete,so it has great potentiality to be applied to produce high performance concrete.This research studies the durability,compressive strength and flexural strength of cement mortar specimens with 0%,10%and 30%of metakaolin content under the two different corrosion conditions of hydrochloric acid attack and sulfate attack.The results show that when the admixture of metakaolin is 10%,the durability,compressive strength and flexural strengthof cement concrete can be dramatically improved,especially its sulfate resistance performance,but when the admixture of metakaolin reaches 30%,its improvement effect weakens than that of 10%.

metakaolin;hydrochloric acid attack;sulphate attack;pozzolanic materials;concrete durability

TU528.1

A

1671-9107（2017）09-0055-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.055

2017-03-19

劉興平（1976-），男，四川安岳人，本科，工程師，從事預(yù)拌混凝土技術(shù)質(zhì)量管理。