高活性偏高岭土_新一代混凝土矿物掺合料

高活性偏高岭土:新一代混凝土矿物掺合料

郑娟荣覃维祖

(清华大学土木系北京100084)

摘要:介绍了偏高岭土作为混凝土掺合料的研究进展,如偏高岭土的火山灰活性、水化产物、偏高岭土对混凝土性能的影响,并分析了我国研究及利用偏高岭土的有利条件。

关键词:偏高岭土混凝土矿物掺合料

0前言

配制高强和高性能砼的材料是水泥、砂、石、水、高

效减水剂和矿物掺合料。常用的矿物掺合料是硅灰、

磨细高炉矿渣、粉煤灰和天然沸石等。近年来,高活性

偏高岭土是国外水泥及砼领域重点研究的新型砼矿

物掺合料。

1偏高岭土的火山灰活性

1 1偏高岭土的制备

偏高岭土(Al2O3 2SiO2-AS2)是高岭土(Al2O3

2SiO

2 2H

2O-AS2H2)在适当温度下脱水形成的

无水硅酸铝。自然产出的高岭土矿石,根据质量、可塑性和砂质(石英、长石、云母等矿物,粒径>50 m)的含量,可划分为硬质高岭土、软质高岭土和砂质高岭土三种工业类型。高岭土是红砖(瓦)、陶瓷、电瓷、耐火材料、水泥等硅酸盐工业的重要原材料,经选矿处理(破碎、制浆、分级、剥片、过滤等)和化学处理(表面改性等)的高纯高岭土在造纸、塑料、橡胶、胶粘剂、涂料等工业中被广泛使用。所以,高岭土是一种用途广泛的矿物原料。

高岭土属于层状硅酸盐结构,层与层之间由范德华键结合,OH-在其中结合得较牢固。高岭土在空气中受热时,会发生几次结构变化,加热到大约600 ,高岭土的层状结构因脱水而破坏,结果生成偏高岭土,反应方程式如下:

2Al2Si2O5(OH)4 2Al2Si2O7+4H2O (高岭土)500~600 (偏高岭土)

偏高岭土中原子排列是不规则的,呈现热力学介稳状态,在适当激发下具有胶凝性。当温度升至925 以上,开始结晶并转化为莫来石和方石英,此时就失去了水化活性。所以,制备偏高岭土的煅烧温度约600~900 。

1 2偏高岭土的水化产物

偏高岭土是一种高活性人工火山灰材料,在水泥水化产物Ca(OH)2的作用下发生火山灰反应,起辅助胶凝材料的作用。

法国的M.Murat研究了偏高岭土、氢氧化钙(CH)和水的反应,发现水化产物主要是托勃莫来石CSH- ,水化钙铝黄长石C2ASH8及少量铝酸钙C4 AH13[2]。这几种水化产物的形成主要取决于AS2/CH 之重量比,其反应式如下:

AS2/CH=0.5,AS2+6CH+9H C4AH13+2CSH AS2/CH=0.6,AS2+5CH+3H C3AH6+2CSH

AS2/CH=1.0,AS2+3CH+6H C2AH8+CSH 埃及的A.S.Taha等人还研究了偏高岭土、石灰、石膏及水的反应,发现当石膏掺量较少(5~10%)时,有C2ASH8生成,强度随石膏掺量增加而增加;当石膏掺量较高(15~20%)时,阻止了水化C2ASH8的形成,而增加钙矾石的含量,这时试体7天内强度不断增长,但之后又下降了[3]。

2偏高岭土对混凝土性能的影响

2 1对砼工作性的影响

钱晓倩等的研究结果表明[4],当偏高岭土掺量为5%时,其对砼的流动性影响很小;当偏高岭土掺量提高到10%~15%时,砼的流动性有所下降,但只要适当增加高效减水剂的掺量便能保持其与基准砼流动性基本相同(同时改善砼的粘聚性和保水性)。Michael A.等用高活性偏高岭土或硅灰作砼掺合料做了对比试验,在相同掺量、相同坍落度的情况下,掺偏高岭土时拌合物粘稠性小,比掺硅灰时可节约高效减水剂25% ~35%,因而其表面易抹平,成本也低[5]。Wilt.S.等的研究结果还表明,双掺偏高岭土和粉煤灰的砼的流动性优于单掺偏高岭土砼的流动性[6]。

2 2对砼力学性能的影响

偏高岭土中的SiO2与Al2O3可吸收水泥水化析

2001年第5期混凝土与水泥制品2001No5 10月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS October

混凝土与混凝土施工

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出的氢氧化钙生成二次C-S-H和具有胶凝性质的C2ASH8,所以,在砼中掺入偏高岭土,能显著提高其早期强度和长期抗压强度、抗弯强度及劈裂抗拉强度[6]。与硅灰的对比试验还表明,加入偏高岭土后增强效果明显,后期强度不断增长,甚至赶上并超过硅灰的作用[5]。偏高岭土还能增加钢纤维高性能砼的抗弯韧性[7]。

2 3抑制碱-硅酸反应

碱-硅酸反应是碱-集料反应中的一种,即碱与集料中的活性SiO2发生反应。集料中的活性SiO2包括无定形、结晶度差、受应力大的SiO2及玻璃体,如蛋白石、玉髓、玛瑙、磷石英、方石英、波状消光石英及火山玻璃体等。砼中掺入适量(取代波特兰水泥约20%)偏高岭土矿物掺合料,可以抑制这类碱-硅酸反应,其机理是由于掺入偏高岭土而形成的辅助水化产物包裹了孔溶液中的K+、Na+离子并降低了孔溶液的pH 值[8]。

2 4减小水泥石自收缩的作用

高强砼的早期收缩开裂倾向,要比通常设想的更为严重。硬化砼的收缩除水化温升达到温峰后降温引起的温度收缩和失水引起的干燥收缩外,还有在缺乏外界水分补给时因自干燥作用引起的自收缩。高强砼虽然抗拉强度高,可是弹性模量也大,相同收缩变形下会引起较大的拉应力,更由于高强砼徐变能力低,应力松弛量较小,所以抗裂性能很差。

自收缩主要发生在砼凝结硬化后的初期,高水灰比的普通砼由于毛细孔隙中储存有大量水分,并且因孔隙尺寸较大,自干燥引起的收缩张力小,自收缩数值小。但低水灰比的高强砼不同,根据清华大学的研究结果,水灰比0 27的砼1周龄期自收缩达320 10-6,相当于温度变化35 的干缩量。水灰比愈低,自收缩愈大。

砼的自收缩由毛细管负压 P=2 /r0cos 引起。即毛细管负压 P主要与临界半径r0、表面张力 及固相与孔中水的接触角 有关。日本的研究人员发现,用拒水粉处理过的偏高岭土及硅粉分别掺入水泥后,都可减少水泥石的自收缩[9],其作用可能是因为增大了固相与孔中水的接触角,从而减小了孔中水的负压。还有资料报导[10],偏高岭土和粉煤灰的复合掺合料也可延缓水泥石自收缩。

4结语

偏高岭土属于人工火山灰中的烧结粘土材料。但是,高活性偏高岭土不是一般意义上的烧粘土材料,它是由高岭土经选矿处理、适当温度煅烧、超细粉磨等工艺得到的微细矿物粉末。

我国高岭土资源十分丰富,生产与利用偏高岭土有着很好的条件。我国非含煤高岭土1996年探明的储量为14 32亿吨,主要集中于广东、福建、广西、江西、湖南和江苏;含煤高岭土(简称煤系高岭土)是我国特有的非金属矿,属硬质矿石型,主要分布在我国北方的华北、东北、西北的石炭-二叠纪煤系中,以煤层中夹矸、顶底板或单独形成矿层等形式存在,已探明各级储量16 7亿吨[11]。煤系优质高岭岩是制取煅烧高岭土(偏高岭土)的理想原料,目前我国已有20多家万吨级煅烧超高岭土生产企业,产品主要用于造纸、塑料、橡胶等工业作填料。

传统砼掺合料(硅灰、磨细高炉矿渣、粉煤灰和天然沸石等)是工业废料或天然矿物,质量不稳定,来源有限(如硅灰),而偏高岭土是人工控制生产的矿物材料,质量可以控制。偏高岭土还有一个显著特点:呈白色。所以偏高岭土可以用于建筑装饰工程中。

总之,偏高岭土作为新一代砼掺合料,正在为人们所认识。由于它能改善硬化砼的性能,抑制碱-骨料反应,减小水泥石自收缩,特别是可以用于建筑装饰工程,所以,偏高岭土具有广泛的应用前景。

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[4]钱晓倩、詹树林、李宗津,掺偏高岭土的高性能混凝土物理力学性能研究,建筑材料学报,2001,4(1)

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2001年第5期混凝土与水泥制品总第121期

混凝土与混凝土施工

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