孔　赟，李　松，韩金龙（.湖北省城市地质工程院，湖北武汉430070；.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070）

表面活性剂改性偏高岭土对水泥性能影响的试验研究

孔赟1，李松1，韩金龙2
（1.湖北省城市地质工程院，湖北武汉430070；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉430070）

利用表面活性剂改性偏高岭土，应用于水泥中，研究不同改性剂用量的改性偏高岭土对浆体工作性能、力学性能的影响。并运用FTIR、XRD和TG等方法对其水化机理进行了探讨。结果表明：表面活性剂改性偏高岭土能够有效地改善水泥基材料的工作性能，提高浆体的早期强度；当改性剂用量为1%时，其工作性能与基准样几乎持平，且7 d抗压强度相对于未改性偏高岭土样提高了2.3 MPa，同时，表面活性剂可以优化偏高岭土的分散效应，加速二次水化作用。

表面活性剂；偏高岭土；工作性能；强度；微观结构

近年来，偏高岭土作为水泥混凝土工程的新一代高活性辅助胶凝材料在国外的研究与应用正日趋活跃。大量研究表明［1-4］，偏高岭土具有优异的火山灰活性，能显著提高混凝土早期强度，同时后期强度也在不断提高。掺偏高岭土的混凝土的综合性能完全可以与硅灰混凝土相媲美，因此，将偏高岭土应用于水泥进行改性具有广阔的前景。

然而，由于偏高岭土的片状结构，不利于其在水泥体系中的分散，同时也影响体系的流变性能［5-6］。因此，如何提高偏高岭土混凝土的工作性能以及更有效地激发偏高岭土的火山灰活性，应用于实际工程之中，有待进一步研究。本文采用表面活性剂对偏高岭土进行改性，将改性后的偏高岭土应用于水泥基材料中，研究改性偏高岭土对砂浆工作性能和力学性能的影响，并通过微观测试手段分析其水化机理。

1　实验

1.1原材料

水泥：P·Ⅰ42.5水泥，湖北华新水泥股份有限公司，比表面积455 m2/kg，密度3.07 g/cm3，化学成分见表1，物理力学性能见表2；偏高岭土：茂名高岭科技有限公司，化学成分见表1；表面活性剂SA：硬脂酸类，市购，白色固体状，微溶于水；细集料：标准砂；水：洁净自来水。

表1　水泥和偏高岭土的化学成分%

表2　水泥的物理力学性能

1.2试验方法

1.2.1改性偏高岭土的制备

首先将偏高岭土置于105℃烘箱中干燥24 h，然后将烘干后的偏高岭土放入陶瓷球磨机中，分别加入占偏高岭土质量0、0.5%、1.0%的表面活性剂，研磨60 min，制得改性偏高岭土。表面活性剂SA用量为1.0%时制得的改性偏高岭土SA-MK和未改性偏高岭土MK的粒径分布见图1，FTIR分析见图2。

图1　改性前后偏高岭土的粒径分布

从图1可以看出，改性后偏高岭土的粒径分布向大颗粒方向移动，但总体分布影响不大。

图2　改性前后偏高岭土的FTIR分析

从图2可以看出，3400、1650 cm-1处为偏高岭土中羟基的伸缩振动和弯曲振动吸收峰。相比偏高岭土而言，改性偏高岭土在2958和2850 cm-1处出现C—H的伸缩振动峰，同时在1720 cm-1处出现新的吸收峰，为C=O伸缩振动吸收峰。因此可以推断，表面活性剂与偏高岭土表面羟基进行化学结合，形成C=O类的结合键。

1.2.2水泥砂浆的制备

本试验采用流动度和强度综合评价偏高岭土对砂浆的改性效果，从而确定改性剂的用量。流动度参照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；强度试件采用三联模成型，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，拆模后放入标准养护室养护至规定龄期，参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》测试抗折和抗压强度。砂浆的基准配合比见表3。

表3　砂浆基准配合比

1.2.3水泥基材料体系微观结构表征

将水泥、偏高岭土或改性偏高岭土（取代水泥量为5%）和水混合，水灰比为0.35，在净浆搅拌机中搅拌均匀，用40 mm×40 mm×40 mm六联试模成型，静置1 d，待成型后脱模，在温度为（20±1）℃、相对湿度不低于90%的湿气养护箱中养护至规定龄期。

采用XRD分析掺加改性前后偏高岭土砂浆的物相组成；采用STA 449c型热重分析仪测试砂浆的水化产物，测试温度范围为25～1000℃，升温速率为10℃/min。

2　结果分析与讨论

2.1表面活性剂SA用量对砂浆流动度和强度的影响（见表4）

表4　表面活性剂SA用量对砂浆流动度和强度的影响

从表4可以看出：

（1）偏高岭土的加入大大地降低了砂浆的流动性。然而，掺入经表面活性剂SA改性的偏高岭土则明显改善了砂浆的流动性，且随着SA用量的增加，流动性增大。这是由于表面活性剂SA结合于偏高岭土表面，引入憎水基团，从而释放了偏高岭土吸附的水分的缘故。当SA用量达到1.0%时，与基准样的流动度相差不大，说明表面活性剂改性偏高岭土有利于砂浆流动性的提高。

（2）偏高岭土的加入能够显著提高砂浆的强度。与此同时，掺入经表面活性剂SA改性的偏高岭土试样对比未改性偏高岭土试样而言，无论是抗折强度还是抗压强度均有所提高，尤其是7 d强度。这是由于结合在偏高岭土表面的改性剂的相互作用，使得改性偏高岭土更有效地分散于胶凝材料中，改性剂在水泥体系搅拌过程中从改性偏高岭土表面释放出来，同时，由于表面活性剂SA能与钙离子结合生成不溶性的钙盐，这在一定程度上加速了水泥水化反应，提高体系中离子浓度，促进偏高岭土的二次水化作用，而在后期水化反应过程中逐渐将钙离子释放出来。综上所述，表面活性剂SA的最佳用量为1.0%。

2.2掺改性偏高岭土水泥体系的XRD分析

基准试样A、掺5%偏高岭土试样B和掺5%改性偏高岭土试样C2水化7 d的XRD图谱见图3。

图3　A、B和C2试样水化7 d的XRD图谱

从图3可以看出，3组试样的成分几乎相同，都是钙矾石、Ca（OH）2和C3S。其中，由于偏高岭土的二次水化作用会消耗水化产物Ca（OH）2，从Ca（OH）2的特征衍射峰强度可以明显发现，Ca（OH）2含量高低顺序为A＞B＞C2。这说明C2试样（掺经1.0%表面活性剂SA改性的偏高岭土）在早期迅速加速水化反应，且偏高岭土活性效应得到进一步的提高。此外，其未水化的C3S、C2S的特征衍射峰的强度高低顺序为A＞B＞C2。这表明了偏高岭土加速了水泥水化反应，改性偏高岭土则进一步提高了水泥水化进程。

2.3掺改性偏高岭土水泥体系的TG分析

基准试样A、掺5%偏高岭土试样B和掺5%改性偏高岭土试样C2在7 d龄期的TG分析见图4。

从图4可以看出，Ca（OH）2脱水分解的温度区域为400～500℃。对比不同试样Ca（OH）2脱水分解的温度区间的损失量均可以发现，Ca（OH）2的含量高低顺序为A＞B＞C2。这表明了在水泥基材料水化早期，偏高岭土由于其火山灰效应消耗了水泥水化产物Ca（OH）2，而改性偏高岭土的二次水化作用得到了进一步提高，这与XRD测试结果一致。

图4　A、B和C2试样在7 d龄期的TG分析

3　结论

（1）表面活性剂SA改性偏高岭土以5%掺量掺入水泥基材料中，能够有效地改善砂浆的工作性能，当改性剂用量达到1.0%时，砂浆的工作性能达到最佳。与此同时，改性后的偏高岭土能够显著提高砂浆的早期强度，当改性剂掺量为1.0%时，7 d抗压强度相对于掺加未改性偏高岭土的试样提高了2.3 MPa。

（2）FTIR结果表明，表面活性剂SA与偏高岭土表面的羟基发生化学反应，形成C=O类的结合键。

（3）XRD和TG结果表明，偏高岭土的引入消耗了体系中的Ca（OH）2，生成了结构更加密实的水化硅酸钙和水化铝酸钙的二次水化产物。改性偏高岭土在表面活性剂分子的作用下，加速了体系的水化反应，进一步提高了水泥基材料的早期水化进程。

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Effect of surfactant modified metakaolin on performance of cement-based materials

KONG Yun1，LI Song1，HAN Jinlong2
（1.Hubei Institute of Urban Geological Engineering，Wuhan 430070，Hubei，China；2.State Key Laboratory of Silicate Materials，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China）

The effect of modified metakaolin on workability and strength of cement-based materials，where the content of surfactant was varied，has been investigated.FTIR，XRD and TG were used to study the hydration mechanism.The experimental results show that the workability of mortar significantly increases with the incorporation of modified metakaolin.Modified metakaolin mixtures have effect on the early strength of mortar.When the dosage of surfactant is 1%，its workability is almost the same as the reference sample，while the compressive strength increases about 2.3 MPa compared to metakaolin sample at 7 days of curing. Surfactants modify the distribution of metakaolin in the system and improve the hydration between metakaolin and Ca（OH）2.

surfactant，metakaolin，workability，strength，microstucture

TU528

A

1001-702X（2015）12-0060-03

2015-07-03；

2015-08-06

孔赟，男，1988年生，湖北天门人，硕士，研究方向为生态建筑材料。