汪振双，焦玉麟，周 梅

（1.东北财经大学 投资工程管理学院，辽宁 大连 116025；2.铁道第三勘察设计院集团有限公司 城市轨道交通设计研究分院，天津 300251；3.辽宁工程技术大学 建筑工程学院，辽宁 阜新 123000）

高岭土尾砂是高岭土矿物经选别后产生的固体废弃物，可以作为一种硅酸盐矿物原料来加以利用［1］.然而，我国对高岭土尾砂性能的研究相对较少，还没有一种真正高效综合利用高岭土尾砂的途径.大量的尾砂资源产出后均被作为废砂堆存，不仅占用了大片土地，而且造成了地质灾害和环境污染，不利于我国的经济建设和可持续发展［2］.混凝土是大宗的建筑材料，仍然是21世纪应用最为广泛的建筑材料.在水泥的生产过程中，不仅消耗大量的能源和资源，而且污染环境，给国民经济的可持续发展带来了沉重的负担.为了降低水泥用量，改善混凝土的性能，人们常常在混凝土中掺入辅助性胶凝材料来代替部分水泥，如矿渣、粉煤灰等［3］.关于混凝土掺合料活性的研究主要是通过改变掺合料的颗粒结构及表面性质，激发生成具有增强作用的水化产物或促进水化反应［4-5］等.目前，高岭土尾砂的应用主要用来制备瓷质砖坯体、烧结微晶玻璃，以及试制混凝土小型空心砌块等，用量十分有限［6-9］.本文从绿色混凝土和生态混凝土的视角出发，将高岭土尾砂球磨，经过机械力活化后，作为混凝土的矿物掺合料，并对其用作活性矿物掺合料配制硬化混凝土的力学性能和耐久性能进行了研究，该方法吃“渣”量大，是探索高岭土尾砂更高附加值和利用的一种途径，希望可以协调资源、环境和经济之间可持续发展的矛盾.

1 试 验

1.1 原材料

选用大连小野田P·Ⅱ42·5R型普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学性能如表1所示.高岭土为吉林省高岭土公司提供的高岭土尾矿经二次选矿后得到的尾渣，化学成分如表2所示.偏高岭土细度为1 250目，其密度约为2.51g／cm3.粗集料选用的是5～25mm花岗岩碎石，密度为2.76g／cm3.砂子的细度模数2.41，密度为2.68g／cm3.水为普通饮用水，减水剂选用的是上海麦斯特生产的混凝土高性能AE减水剂.

表1 水泥的物理力学性能Table 1 Mechanical properties of cement

表2 高岭土尾砂的化学组成Table 2 Chemical composition of kaolin tailing

1.2 高岭土机械力活化

采用球磨机对高岭土尾砂进行不同时间的机械球磨得到325目、1 250目和4 000目三种不同机械活化程度的高岭土.采用抗压强度对比法［10］，对以不同掺量的偏高岭土加入到水泥中的力学性能的影响进行了比较分析，并与1 250目的偏高岭土试验结果进行对比，分析高岭土尾砂机械力活化性能.试验选用的水胶比是0.46、0.42和0.38，掺合料按10%、20%、30%和40%等量取代水泥.

1.3 混凝土配合比设计

试验采用高岭土1 250目与偏高岭土1 250目分别等量取代10%、20%的水泥配制C70强度等级混凝土，混凝土配合比见表3.

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportions of concrete

混凝土的力学性能依据GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，测试了混凝土的弹性模量、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度.渗透性按照美国ASTMC1202法，快速评价混凝土的渗透性高低.

2 试验结果

2.1 胶砂试件强度

参照GB／T 17671水泥胶砂强度检验方法，试验中，以不同水胶比不同掺量的偏高岭土抗折强度和抗压强度为参考.不同细度的高岭土28d抗折强度和抗压强度的试验结果如图1～图6所示.

图1 0.46水胶比抗折强度Fig.1 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.46

图2 0.46水胶比抗压强度Fig.2 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.46

图3 0.42水胶比抗折强度Fig.3 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.42

图4 0.42水胶比抗压强度Fig.4 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.42

图5 0.38水胶比抗折强度Fig.5 Flexural strength of concrete with water-binder ratio 0.38

图6 0.38水胶比抗压强度Fig.6 Compressive strength of concrete with water-binder ratio 0.38

从试验结果中可以看出，高岭土尾砂经过球磨后，比表面积增大，具有一定的活性［2］.对于抗折强度而言，不同水胶比不同掺量的325目和1 250目高岭土混凝土的抗折强度均大于相应偏高岭土的抗折强度，而4 000目的高岭土，当掺量超过20%时，抗折强度低于偏高岭土的抗折强度；对于抗压强度而言，水胶比为0.46时，三种细度的高岭土的掺量不大于20%，对应的抗压强度大于相应偏高岭土抗压强度，随着高岭土掺量的增加，1 250目高岭土的抗压强度大于相应偏高岭土抗压强度.水胶比为0.42时，1 250目的高岭土活性与相应细度的偏高岭土的活性相近.水胶比为0.38时，不同掺量的三种细度的高岭土抗压强度均小于相应偏高岭土的抗压强度.可以看出，经过机械力作用，可以改善高岭土的活性.细度325目和1 250目的高岭土活性较高，而4 000目的活性一般.

2.2 混凝土力学性能

掺入高岭土和偏高岭土混凝土28d静弹性模量、28d抗压强度和28d劈裂抗拉强度如表4所示.

表4 混凝土基本力学性能Table 4 Basic mechanical properties of concrete

从表4中可以看出，基准配比C1的静弹性模量为41.8GPa，抗压强度为82.0MPa，劈裂抗拉强度为3.86MPa.掺入煅烧1250目的偏高岭土时，当掺量为10%时，C2的静弹性模量为40.6 GPa，抗压强度为80.2MPa，劈裂抗拉强度为3.72MPa；当掺量为20%时，C3的静弹性模量为39.5GPa，抗压强度为77.6MPa，劈裂抗拉强度为3.63MPa.可见，掺入偏高岭土使混凝土的静弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度有一定程度的降低，随着掺量的增加，降低的幅度进一步变大.掺入非煅烧1250目的高岭土时，当掺量为10%时，C4的静弹性模量为41.4GPa，抗压强度为81.2MPa，劈裂抗拉强度为3.82MPa；当掺量为20%时，C5的静弹性模量为40.2GPa，抗压强度为79.2MPa，劈裂抗拉强度为3.76MPa.可以看出，掺入1250目的高岭土，使混凝土的静弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度也有一定程度的降低，而与1250目偏高岭土相比，相同掺量降低的幅度小于偏高岭土.由此可知，在满足混凝土强度等级的情况下，掺入高岭土可节约水泥用量.在水泥水化前期，主要起微集料作用，填充水泥及其水化产物间微小空隙，提高了混凝土的密实度.高岭土经过煅烧和球磨，激发了其活性，发生了二次水化作用，增加了混凝土中C-S-H的量，这样减少了Ca（OH）2的含量，抑制了Ca（OH）2薄弱面［11-12］.图7是掺入高岭土质量分数为10%的放大3000倍扫描电镜图片.从图7扫描电镜照片中可以看出，掺入非煅烧1250目生成的C-S-H比较密集，这就是掺入非煅烧高岭土后混凝土的强度相对基准混凝土的强度降低的幅度不大的缘故［13］.

图7 混凝土扫描电镜图Fig.7 SEM of concrete

2.3 混凝土渗透性

混凝土的渗透性是混凝土耐久性的第一道防线.因此，可以用混凝土的渗透性去评价混凝土的耐久性.参照美国ASTMC1202法，混凝土6h电通量的试验结果如表5所示.

表5 电通量试验结果Table 5 Test results of electric flux

从表5中可以看出，水胶比不变的情况下，高岭土的掺入使混凝土的抗渗性增强，非煅烧高岭土的效果好于煅烧高岭土.在普通混凝土中，含有较多的氢氧化钙六方板状结晶体.因此，在结晶体之间或结晶体和骨料之间容易形成孔隙，是普通混凝土发生锈蚀的内在原因［14］.高岭土经磨细后，起到微集料作用，填充混凝土内部孔隙，提高了混凝土的密实度.此外，经过活化后的高岭土具有一定的活性，发生二次水化作用将部分氢氧化钙转变为微小的、结晶极不完善的水化硅酸钙和铝酸钙，进一步密实了混凝土孔结构，减少了渗透通道，改善了混凝土中界面的结构，逐渐降低了混凝土的渗透性，进而提高了抗渗性能.

3 结 论

（1）高岭土尾砂主要成分为硅、铝氧化物，将其用作混凝土掺合料是可行的.高岭土尾砂经过机械力活化后具有一定的活性，与偏高岭土相比，可作为活性掺合料配制混凝土，高岭土的活性与其细度有关.

（2）混凝土中掺入高岭土后，其力学性能有所降低，但满足所配制混凝土强度等级要求.高岭土的掺入使混凝土的抗渗性增强.高岭土尾砂具有价格和产量方面的优势，是一种具有研究价值和推广的矿物掺合料.

［1］ Leite J Y P，Veras M M，Santos E P，et al.Technological Characterization of Kaolin Tailing from Small-scale Mining in RN and PB States-Brazil［J］.Minerals Engineering，2007，20（9）：959-961.

［2］ 胡佩伟，杨华明，陈文瑞，等.高岭土尾砂制备混凝土活性掺合料的试验研究［J］.金属矿山，2010（3）：174-179.（Hu Peiwei，Yang Huaming，Chen Wenrui，et al.Experimental Study on Preparation of Concrete Reactive Admixture with Kaolin Tailings［J］.Metal Mine，2010（3）：174-179.）

［3］ 施惠生，袁玲.高岭土应用研究的新进展［J］.中国非金属矿工业导刊，2002（6）：11-16.（Shi Huisheng，Yuan Ling.Advanced Research and Application of Kaolin［J］.China Non-metallic Mining Industry Herald，2002（6）：11-16.）

［4］ 毕春丽，肖琦，张丽.工业废渣在混凝土中的应用研究［J］.混凝土，2005（12）：71-72，96.（Bi Chunli，Xiao Qi，Zhang Li.Industry Cinder Applying in Concrete［J］.Concrete，2005（12）：71-72，96.）

［5］ Yilmaz B，Olgun A.Studies on Cement and Mortar Containing Low-calcium Fly Ash，Limestone and Dolomitic Limestone ［J］. Cement and Concrete Composites，2008，30（3）：194-201.）

［6］ 缪松兰，徐乃平，于红钢.工业废渣粉煤灰与高岭土尾砂在瓷质砖坯体中的应用研究［J］.陶瓷研究，2000，15（3）：6-12.（Miao Songlan，Xu Naiping，Yu Honggang.Application of Industry Offscum Fly Ash and Slags of Kaolin Earth in the Porcelain Tile Body［J］.Ceramic Studies Journal，2000，15（3）：6-12.）

［7］ 陈国华，康晓玲.烧结微晶玻璃工业原料新资源的开发利用［J］.陶瓷工程，2001（6）：31-33.（Chen Guohua， Kang Xiaoling. New Resources Development of Glass-ceramics Using Industry Raw［J］.Ceramics Science and Art，2000，15（3）：6-12.）

［8］ 兰琼.利用高岭土尾矿渣作细骨料生产砼小型空心砌块的试验研究［J］.昆明理工大学学报：自然科学版，2001，26（5）：67-69.（Lan Qiong.The Rerearch of Making Small Holly Concrete Masonry Making［J］.Journal of Kunming University of Science and Technology：Natural Science Edition，2001，26（5）：67-69.）

［9］ 苏昊林，王立久，汪振双.CAS系粉煤灰微晶玻璃制备工艺试验研究［J］.功能材料，2011（7）：1342-1345，1350.（Su Haolin， Wang Lijiu， Wang Zhenshuang.Experimental Study on Preparation Technology of CAS System Fly Ash Glass-ceramics［J］.Journal of Functional Materials，2011（7）：1342-1345，1350.）

［10］ 钱觉时.粉煤灰特性与粉煤灰混凝土［M］.北京：科学出版社，2002：45-47.（Qian Jueshi.Characteristics of Fly Ash and Fly Ash Concrete［M］.Beijing：Science Press，2002：45-47.）

［11］ 廉慧珍，童良，陈恩义.建筑材料物相研究基础［M］.北京：清华大学出版社，1996：131-141.（Lian Huizhen，Tong Liang，Chen Enyi.Phase of BuildingMaterials［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1996：131-141.）

［12］ 李明.高性能杂化水泥混凝土性能研究［D］.大连：大连理工大学，2003：20-30.（Li Ming.Study on High Performance Hybrid Cement Concrete［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2003：20-30.）

［13］ 汪振双，王立久.基于均匀设计的混凝土细集料级配分形试验研究［J］.沈阳大学学报：自然科学版，2012（5）：1-4.（Wang Zhenshuang， Wang Lijiu. On Fractal Characteristics of Size-Distribution of Concrete Fine Aggregate Based on Uniform Design［J］.Journal of Shenyang University：Natural Science，2012（5）：1-4.）

［14］ 方泽锋，施惠生.粉煤灰-矿渣复合掺合料对海工砼耐久性的影响［J］.粉煤灰综合利用，2002，11（6）：5-7.（Fang Zefeng，Shi Huisheng.Effect on the Durability of Marine Concrete with Multiple Blending Materials［J］.Fly Ash Comprehensive Utilization，2002，11（6）：5-7.）