李玉平 王伟 章鹏 马天齐 高应霞

摘 要：以页岩陶粒混凝土为基础配方，系统研究了单掺和双掺不同含量的偏高岭土、粉煤灰、钢渣等矿物掺合料对其抗压强度影响，通过SEM和XRD进行了相关的微观结构和组成分析.结果表明当单掺矿物掺和料质量分数为10 %时，页岩陶粒混凝土达到最高的抗压强度；双掺和时，总掺量为10%（质量分数）、比例为1∶2的偏高岭土和粉煤灰时，页岩陶粒混凝土的抗压强度最好，其3 d、7 d和28 d的抗压强度分别达到了18.1、28.6和35 MPa，对比没有加入矿物掺合料的页岩陶粒混凝土的抗压强度分别增加了417%、267%和250%，主要原因是偏高岭土和粉煤灰的掺加能够优化轻骨料混凝土的微观结构，对强度具有较大贡献.

关键词：页岩陶粒混凝土；矿物掺合料；粉煤灰；钢渣；抗压强度；微观结构

中图分类号：TU528.2；TQ178 文献标志码：A

Abstract： The effects of different contents of mineral admixtures including metakaolin， fly ash and steel slag， on the compressive strength of shale ceramisite concrete were studied systematically and the microstructure and composition were analyzed by SEM and XRD. The results show that the compressive strength of the concrete is the highest when the mass content of the mineral admixtures is about 10%. Then， when two kinds of mineral admixtures are added into the concrete at different ratio， the compressive strength testing shows that the concrete with 10% metakaolin and fly ash （ratio 1∶2） exhibits the best compressive strength （18.1、28.6、35MPa at 3d， 7d， 28d， respectively）， which is higher than the concrete without mineral admixture by 417%、267% and 250% at 3d， 7d and 28d， respectively. The main reason is that the addition of metakaolin and fly ash can optimize the microstructure of lightweight aggregate concrete， thus， improving the strength of the concrete.

Key words：shale ceramisite concrete； mineral admixture； fly ash；steel slag； compressive strength；microstructure

頁岩陶粒混凝土中加入矿物掺合料，可提高其力学性能和耐久性，这是一种有效提高混凝土工作性能的方式[1].矿物掺合料是工业废渣，价格低廉，来源广泛，通过添加掺合料来代替部分水泥，可以降低混凝土的成本，获得显著的经济效益[2].

常用的矿物掺合料主要有粉煤灰、钢渣、偏高岭土等，这三种矿物掺合料在国内外已经有一定的研究和应用[2].

粉煤灰、钢渣和偏高岭土单独在混凝土中的应用已研究了一段时间，1935年R.E Davis首次将粉煤灰应用于大体积混凝土结构中[3-4].20世纪50年代，粉煤灰除普遍应用于大体积混凝土中，还开始应用于如建筑、高速公路等具有高强度的结构物中.1953年，美国Hungry Horse大坝工程中应用了13余万吨粉煤灰，既改善了混凝土性能，也节约了水泥[5].在我国，钢渣应用于水泥中也已有60多年历史，通常是把钢渣作为生产水泥的混合材[6].但是，与水泥熟料相比，钢渣的易磨性较差，这限制了其掺入量.作为掺合料配入混凝土，可充分发挥钢渣优势，改善水泥及其制品的性能，提高钢渣利用率[7-8].20世纪70年代，国内外均开展了对于偏高岭土作为混凝土掺和料的研究[9-10]，不仅将其作为混凝土活性矿物掺合料，还可作为胶凝材料的制品.近几年，矿物掺合料在高性能轻质混凝土的应用方面做出了巨大贡献[11].但对其最佳掺量的研究却很少，同时不同掺合料的交互作用研究也处于初级阶段.

因页岩陶粒混凝土的骨料容重和强度都比较低，在建筑物中一般用在非承重墙的填充部分，很少能够应用于建筑物的承重部分，本文主要采用矿物掺合料来提高页岩陶粒混凝土的强度，从而使页岩陶粒应用范围更广.

本文首先通过加入不同含量的单组分矿物掺合料，探讨掺合料掺入量对混凝土力学性能的影响，获得最佳的单组份掺入量；然后，通过将偏高岭土、粉煤灰和钢渣按照不同比例两两掺和，比较其混凝土的抗压强度，得到最佳的两两掺和比例；再结合这两者的结果，配制得到最佳掺入总量以及掺入比例的混凝土，从而得到性能最好的页岩陶粒混凝土.

1 实 验

1.1 主要实验原料

水泥采用湖南宁乡南方水泥有限公司生产的P·O42.5水泥；钢渣选用湖南湘潭发电厂的钢渣；粉煤灰是由湖南岳阳首度建材厂提供的Ⅱ级粉煤灰，细度10%，需水量比100%，密度2.2 g/cm3；偏高岭土是由湖南醴陵某电瓷厂生产电瓷用的高岭土，经过在马弗炉中750 ℃加热2 h后得到的，制备完成后的偏高岭土的氧化铝含量为23.75%；陶粒来源于湖南益阳丰岩新材料发展有限公司，粒径为4.75 mm ～19 mm、筒压强度为1.01 MPa的轻质板岩陶粒，砂是湘江河砂，细度模数2.6.减水剂是由长沙市天心区浩羽防水材料厂生产的HY-4015型减水剂，减水率为25%.

1.2 页岩陶粒混凝土配合比

本文采用了容重为1 518 kg/m3的基础配方，主要通过添加矿物掺合料的方式来提高页岩陶粒混凝土的强度.实验采用的基础配方见表1，然后将一定比例的矿物掺合料替代相应重量的水泥，其余组分均保持不变.

矿物掺合料的掺加方式为单组分掺加和双组份掺加，单组分从5%～40%之间不等，双组份的掺加总量为30%，按照30%+0%、20%+10%、10%+20%和0%+30%的比例进行添加，最终寻找一个最佳配比.

通过XRD和SEM来探究三种矿物掺合料影响页岩陶粒混凝土抗压强度的原因，从而补充矿物掺合料对页岩陶粒混凝土影响的微观理论，同时也为工程实践提供理论依据.

1.3 实验过程

准确称量所需原料后均匀混合，加入页岩陶粒进行充分搅拌；搅拌均匀后加入水再次进行搅拌；最后将搅拌好的拌合物装入模具中制备出100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试块.按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）的规定进行实验.

具体思路如下.

第一步：先将不同含量的单组分矿物掺合料（偏高岭土、粉煤灰、钢渣）分别加入到页岩陶粒混凝土中，比较加入相同矿物掺合料的混凝土的抗压强度，从而得到各个矿物掺合料的最佳掺入含量；

第二步：分别将偏高岭土、粉煤灰、钢渣以不同的比例两两加入加到页岩陶粒混凝土中，比较其抗压强度，从而得到最佳的两两矿物掺合料掺入比例；

第三步：结合前两步的结果，以最佳的掺入含量和掺合料的比例设计实验，得到最优的实验配比.

1.4 表征方法

1.4.1 抗压强度

将配制好的轻骨料混凝土浆体倒入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，采用常规养护，分别在3 d、7 d和28 d取样进行抗压强度检测，每组做9个取平均值.采用INSTRON-3382电子万能材料试验机，加载速度0.5 MPa/s.

1.4.2 X射线衍射（XRD）分析

将实验待测样品首先浸入酒精中24 h，终止水泥的水化，然后置于60 ℃的真空干燥箱48 h中，烘干至恒重，然后冷却至常温.将干燥好的样品用玛瑙研磨，将研磨后的样品过400目筛，用XRD-6100型多晶粉末X射线衍射分析仪测试，确定水泥石物相，工作电压40 kV，工作电流30 mA，2θ扫描范围5°～60°.

1.4.3 扫描电镜（SEM）

将规定龄期的水泥净浆试块破碎后，放入酒精中24 h进行脱水处理，然后取出置于60 ℃烘箱中干燥48 h至恒重，然后取出冷却至常温.将试块放入煮沸的加拿大树胶中煮10 min，再将试块取出冷却、切块、研磨、喷金，用S4800型扫描电镜观察水泥水化产物的微观形貌.

2 结果讨论

实验配比以及强度测试结果如表2所示.

页岩陶粒混凝土的理想结构是页岩陶粒紧密堆积在水泥浆体中，而水泥浆体与页岩陶粒具有紧密的粘接界面；水泥浆体中在早期出现能够提供强度的钙矾石晶体，而对界面具有损害作用的氢氧化钙是逐渐消耗的趋势.页岩陶粒混凝土与理想结构越接近，则页岩陶粒混凝土的抗压强度越好.借助XRD和SEM等手段观察矿物掺合料对页岩陶粒混凝土的作用，同时观察掺加矿物掺合料后与理想结构是否更相近.

首先，先通过分别掺入偏高岭土、粉煤灰和钢渣3 d的页岩陶粒混凝土XRD图来分析各个页岩陶粒混凝土成分的变化.图1为3 d的混凝土XRD图，图中G、F、P分别代表加入钢渣、粉煤灰和偏高岭土后的页岩陶粒混凝土试样.从图中可以看出，三组页岩陶粒混凝土中都出现了氢氧化钙和钙矾石的峰，但是加入偏高岭土的页岩陶粒混凝土中，钙矾石的峰相对更加明显，而氢氧化钙的峰相对更低，说明加入偏高岭土的页岩陶粒混凝土中含有更多的钙矾石以及更少的氢氧化钙.这是因为偏高岭土能与水泥中的水化产物氢氧化钙反应，生成钙矾石，从而钙矾石含量增加，氢氧化钙的含量减少.加入钢渣的页岩陶粒混凝土中，氢氧化钙的峰是最高的，这是因为加入钢渣含有一定量的氧化钙，因此在早期不但不会消耗水泥浆体中的氢氧化钙，还会产生氢氧化钙，从而氢氧化钙的含量最高.距离理想模型最近的是偏高岭土，而最远的是矿渣.

图2（c）是页岩陶粒混凝土加入钢渣之后的3 d、7 d和28 d的抗压强度曲线.从图中可以看出随着钢渣的加入，页岩陶粒混凝土的3 d和7 d强度是逐渐降低的，当掺量小于20%时，页岩陶粒混凝土抗压强度下降值比较小，当掺量大于20%时，页岩陶粒混凝土的抗压强度呈现明显的下降趋势.早期强度的降低是因为加入钢渣后，在页岩陶粒混凝土中产生了氢氧化钙，导致水泥浆体与骨料的结合面發生破坏，从而其强度下降.页岩陶粒混凝土的28d强度在钢渣掺量小于20%时与没有掺加钢渣的混凝土相比有一定程度的提高，这是因为钢渣的火山灰效应起到了影响.但是钢渣掺量超过20%时页岩陶粒混凝土强度下降很快，因此钢渣的最好效果为10%.

从上述数据可以看出，偏高岭土对早期和后期混凝土强度的提高有明显作用，粉煤灰和钢渣对混凝土后期有一定程度的提高，而且粉煤灰的效果要强于钢渣，但是在早期的强度略有下降，早期应该加强对混凝土的维护.

结合上面的分析，我们得到了最好的单掺入量为10%，而偏高岭土和粉煤灰、偏高岭土和钢渣以及粉煤灰和钢渣两掺的最好比例是1∶2.于是我们把总产量设置为10%，再以1∶2的比例加入到页岩陶粒混凝土中.

图3为总掺量为10%、掺杂比例为1∶2的两两掺杂时页岩陶粒混凝土的抗压强度对比.由图3可以得出，加入了偏高岭土和粉煤灰的页岩陶粒混凝土，其各个时期的抗压强度都有了显著的提高，3 d、7 d和28 d的抗压强度较没有添加矿物掺合料的混凝土分别高了417%、267%和250%.加入粉煤灰和钢渣的页岩陶粒混凝土，3 d、7 d和28 d的抗压强度较没有添加矿物掺合料的混凝土分别高了151%、91%和199%.加入偏高岭土和钢渣的页岩陶粒混凝土，3 d、7 d和28 d的抗压强度较没有添加矿物掺合料的页岩陶粒混凝土分别高了251%、31%和60%（见图4）.

通过这三组混凝土比较可以看到，加入偏高岭土和粉煤灰的混凝土具有最高的抗压强度.为了解释这一现象，我们对比了加入偏高岭土、粉煤灰的混凝土和加入偏高岭土、钢渣的页岩陶粒混凝土的SEM图（图5）.从图5（a）可以看出，偏高岭土和钢渣的掺入，能够产生一定量的钙矾石，但是钙矾石的晶体粗大，并且量较少，没有形成交联结构几乎不会对强度产生贡献，同时产生了裂纹对强度损害比较严重.从图5（b）可以看出，偏高岭土和粉煤灰一起掺加能够产生大量的钙矾石，并且互相产生交联状态，能够对强度提供较大的贡献.因此，偏高岭土和粉煤灰具有相互促进的作用，能够使两种掺合料的作用在页岩陶粒混凝土抗压强度方面发挥到最大；而钢渣的加入会减小偏高岭土和粉煤灰的作用.

偏高岭土、粉煤灰和钢渣的最佳掺量的确定能够更好指导它们在工程中的使用不至于在用量过大使得强度下降严重而出现工程事故，也不至于用量过小而没有达到预期的经济效益.

3 结 论

1）单独掺入不同量的掺合料，掺入量为10%时页岩陶粒混凝土的抗压强度最高；两两掺合，根据页岩陶粒混凝土的抗压强度可以得到，偏高岭土和粉煤灰、偏高岭土和钢渣、粉煤灰和钢渣掺加比（质量比）为1∶2时效果最佳.

2）混合活性掺合料中，偏高岭土和粉煤灰的掺合效果最佳，粉煤灰和钢渣混合掺合时，混凝土的早期和中期强度较低，页岩陶粒混凝土的抗压强度分别为8.8 MPa和14.9 MPa，因此要加强早中期的养护，但是28 d强度达到29.9 MPa，强度增长明显.

3）偏高岭土和粉煤灰掺入到页岩陶粒混凝土中，按照10%的掺量，比例为1∶2，页岩陶粒混凝土的抗压强度达到35 MPa，能够使页岩陶粒混凝土满足建筑物一般承重的要求.

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