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大摻量偏高嶺土水泥基材料的水化和性能大摻量偏高嶺土水泥基材料的水化和性能喬春雨,倪文,王長龍 (北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室,北京100083) 摘 要:通過測定大摻量偏高嶺土水泥基材料的抗壓強度、水泥相對水化程度和體系放熱,研究了偏高嶺土摻量及比表面積與抗壓強度的關(guān)系,探討了體系放熱與化學(xué)結(jié)合水及抗壓強度的聯(lián)系。結(jié)果表明:50%摻量范圍內(nèi),砂漿的強度增長速度隨摻量逐漸加快,考慮了“稀釋效應(yīng)”、偏高嶺土表面成核效應(yīng)及火山灰效應(yīng)的有效接觸面積模型定量地表征了復(fù)合材料體系的抗壓強度;水泥相對水化程度隨其摻量逐漸增加,隨時間先增加后降低;隨摻量增加體系最大累計放熱量逐漸降低,放熱增量逐漸增加,累計放熱量與化學(xué)結(jié)合水量在養(yǎng)護早期和后期存在不同的線性關(guān)系,早期累計放熱量與砂漿強度線性相關(guān)。 關(guān)鍵詞 偏高嶺土; 強度; 相對水化程度; 水化熱; 表面成核效應(yīng); 火山灰反應(yīng) 中圖分類號:TU522 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號: Hydration and Properties of High Volume Metakaolin Cement-based Materials QIAO Chun-yu, NI Wen, WANG Chang-long (Key Laboratory of the Ministry of Education of China for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract: To study the relation between content and specific surface area of metakaolin and compressive strength, compressive strength is measured as well relative hydration degree of cement and heat evolution. The relation between heat evolution between heat evolution and nonevaporable water or compressive strength is also discussed. And the material microstructure is observed by scanning electron microscope. The results are shown as follows. As the amount of blended metakaolin increases in range of 50%, the rate of mortar strength development increases. The compressive strength of different mortars can be quantified by effective surface model which takes dilution effect, heterogeneous nucleation effect and pozzolanic reaction into consideration. The relative hydration degree of cement increases as blended metakaolin increases while it increases first and then decreases when time goes on. The max hydration heat decreases and heat increment increases as the amount of MK increases. At the early ages the linear relation between cumulative heat and nonevaporable water amount is different from that at the late age. And the linear relation exists between cumulative heat and mortar strength at the early age. KEY WORDS metakaolin; strength; relative degree of hydration; heat of hydration; heterogeneous nucleation effect; pozzolanic reaction 偏高嶺土(MK)是高嶺土等粘土礦物在600-800℃高溫下煅燒得到的高火山灰活性微粉 [1],其與CH 反應(yīng)形成C-S-H 凝膠、C 4AH 13、C 3AH 6以及C 2ASH 8等[2]。偏高嶺土可以有效地改善膠凝材料體系的孔結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成,提高體系的物理力學(xué)性能和耐久性等[1, 3-5],其優(yōu)異性能受到越來越多學(xué)者的廣泛關(guān)注。 收稿日期:2014-06-23;修訂日期:2014-07-22 基金項目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2012AA062405) 第一作者:喬春雨(1989-),男,河北河間人,北京科技大學(xué)博士研究生。 通信作者:倪 文(1961-),男,河北香河人,北京科技大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,博士。 Frias等[6]研究了MK對水泥砂漿放熱的影響,其火山灰活性低于硅灰并遠高于粉煤灰,偏高嶺土和硅灰對水化放熱具有相似的促進作用。Khatib等[7]的研究表明隨MK摻量增加和養(yǎng)護時間的延長,體系中孔徑小于20nm的孔所占比重逐漸增加,MK顯著細化了水泥漿體孔結(jié)構(gòu)。Justice等[8]的研究表明低摻量情況下細度大的MK對于混凝土強度的提高作用更加明顯,MK消耗了體系內(nèi)大量的CH,有效地改善了體系的物理力學(xué)性能和耐久性。錢曉倩等[9]研究了低摻量情況下( 微集料效應(yīng)由兩部分組成:水泥含量降低產(chǎn)生的“稀釋效應(yīng)”和礦物摻合料摻入產(chǎn)生的表面成核效應(yīng)。其等溫量熱儀實驗結(jié)果表明,對于一定水灰比(w/c>0.42)的漿體而言,在水化早期“稀釋效應(yīng)”對水泥顆粒的水化無促進作用,這是由于此時體系內(nèi)充足的水含量并非水泥水化的限制條件;礦物摻合料表面的成核-生長效應(yīng)使得水泥溶出組分在其表面成核-生長,促進了體系內(nèi)水泥的水化,因此總體表現(xiàn)為微集料效應(yīng)促進了體系水泥的水化程度。類似地,Cyr等[12, 13]提出了利用有效接觸模型建立強度與礦物摻合料比表面積、摻量等之間的定量關(guān)系。其模型中材料體系強度由三部分組成:“稀釋效應(yīng)”、礦物摻合料表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)�！跋♂屝�(yīng)”是膠凝材料體系內(nèi)部分水泥被等量礦物摻合料替代的結(jié)果,其涉及體系內(nèi)水泥含量的減少以及水灰比的增大。表面成核效應(yīng)是一種物理增強效應(yīng),水泥溶出組分可以在礦物摻合料表面的成核點成核-生長,這一效應(yīng)促進了水泥水化,增加水泥的水化程度[11-14]�；鹕交倚�(yīng)是一種化學(xué)增強效應(yīng),水泥水化產(chǎn)生的CH與摻合料中的活性組分發(fā)生放熱反應(yīng)生成火山灰反應(yīng)產(chǎn)物,對體系的微觀孔結(jié)構(gòu)和性能具有改善作用。 本文利用有效接觸表面積模型[12-14]建立強度與MK摻量之間的定量關(guān)系,探究體系反應(yīng)放熱與體系物質(zhì)變化和力學(xué)性能發(fā)展之間的關(guān)系,以及大摻量MK對復(fù)合材料體系力學(xué)性能,物質(zhì)變化,反應(yīng)放熱和微觀結(jié)構(gòu)的影響,為MK在混凝土工業(yè)中的大摻量應(yīng)用提供一定指導(dǎo)。 1 實驗方法 1.1 原材料 實驗原材料為基準(zhǔn)水泥(P.I. 42.5)和偏高嶺土,水泥的的比表面積為424.1m2/Kg,偏高嶺土的比表面積為1307.7m2/Kg。原料的化學(xué)成分和粒徑分布分別見表1和圖1。由圖1可知, 偏高嶺土顆粒的粒徑遠小于水泥顆粒。由表1可知,偏高嶺土的化學(xué)組成基本為SiO 2和Al 2O 3,兩者含量之和高達96%以上。 表1 原料化學(xué)成分(w.t.%) Table 1 Chemical Compositions of Raw Materials (w.t.%) SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 MgO CaO Na 2O K 2O LOI C 3S C 2S C 3A C 4AF C S H 2 PC 22.51 6.34 2.48 3.85 60.05 0.3 0.66 2.1 59.88 17.49 6.22 10.55 5.72 MK 5 4.89 41.71 0.42 0.5 0.66 0.15 0.08 0.28
1.2 450g ,、10% (MK10)《水泥 7天、28天和90天后破碎并置于酒精中終止水化以進行相應(yīng)測試。根據(jù)文獻[15]和GB/T12960-2007《水泥組分的定量測定》提供的方法,測定MK0、MK20、MK35和MK50四組試塊的化學(xué)結(jié)合水量以及偏高嶺土的反應(yīng)量。取凈漿碎塊磨細,在(65±2)°C 烘箱中烘干24小時至恒重,后置烘干碎塊于馬弗爐內(nèi)1000°C 灼燒至恒重,凈漿試塊的化學(xué)結(jié)合水量W ne 計算式如下: (1)
其中m 1為65°C 烘干后試樣的質(zhì)量(g);m 2為1000°C 灼燒后試樣的質(zhì)量(g);W mk, c =W mk, I *p W c, I*(1-p),p為MK摻量,W mk, I和W c, I分別為MK和水泥的燒失量。 采用鹽酸選擇性溶解法測試MK-PC復(fù)合膠凝材料體系的MK反應(yīng)量W MK: W MK = p-[W HCl / (1-W ne) - (1-p)*W c,HCl]/W MK,HCl(2)其中W HCl為MK-PC凈漿經(jīng)鹽酸溶解后殘余的質(zhì)量分?jǐn)?shù);W c,HCl為純水泥凈漿經(jīng)鹽酸溶解后殘余的質(zhì)量分?jǐn)?shù);W MK,HCl為MK經(jīng)鹽酸溶解后殘余的質(zhì)量分?jǐn)?shù);W ne為體系化學(xué)結(jié)合水量。 利用TA公司TAM Air量熱儀測量漿體水化放熱,測量時間7天,保持恒溫23℃,每
個配比試驗結(jié)果取2個試樣的平均值。利用蔡司SUPER 55場發(fā)射掃描電鏡(FE-SEM)觀察不同水化時間的膠凝材料體的微觀形貌。 2 結(jié)果與討論 2.1 強度 圖2為砂漿試塊不同齡期的強度發(fā)展曲線。隨MK摻量增加,抗壓強度增長速度加快。MK-PC砂漿的3天和7天抗壓強度均隨摻量增加而降低,并且均低于PC砂漿;除MK50外,其他MK-PC砂漿試件的28天抗壓強度均超過PC砂漿,不同組別強度差距減小;MK-PC 砂漿90天抗壓強度均超過PC砂漿,三種大摻量情況下(>20%)強度分別增長18.9%,20.6%和16.9%,相對于低摻量體系其后期抗壓強度增長更加明顯。砂漿抗折強度也具有類似趨勢。早期MK反應(yīng)程度較低,砂漿的強度主要來自于水泥水化反應(yīng)。隨著MK摻量增加,體系中的水泥含量減少,水泥水化程度的增加不足以抵消水泥含量降低對強度產(chǎn)生的影響,故早期復(fù)合砂漿的強度隨摻量增大而降低。隨著時間延長,MK與水泥水化形成的CH發(fā)生火山灰反應(yīng),生成更多水化產(chǎn)物,提高了砂漿強度,復(fù)合砂漿強度在28天時超過PC砂漿并逐漸增長;大摻量復(fù)合膠凝材料體系的火山灰反應(yīng)更加顯著,這導(dǎo)致其后期強度增幅高于低摻量體系。 C o m p r e s s i o n S t r e n g t h M p a Time/ Day F l e x u r a l S t r e n g t h / M P a Time/ Day a b 圖2 砂漿強度發(fā)展曲線(a:抗壓強度b:抗折強度) Fig. 2 Strength development curve of mortars(a: compressive strength; b: flexural strength) MK-PC砂漿的強度是由水泥和MK兩部分共同提供的,砂用量一致時,兩者區(qū)別在于MK替代了質(zhì)量分?jǐn)?shù)p的水泥。Lawrence等[14]認(rèn)為復(fù)合砂漿強度R由三種效應(yīng)組合形成的: R=R dilution ΔRφ ΔR pz,其中,R dilution為水泥含量減少的“稀釋效應(yīng)”產(chǎn)生的強度,ΔRφ為摻合料表面表面成核效應(yīng)產(chǎn)生的強度,ΔR pz為活性礦物摻合料火山灰效應(yīng)產(chǎn)生的強度。 為避免礦物摻合料對體系性能的物理和化學(xué)增強效果,闡明“稀釋效應(yīng)”與水泥水化程度之間的關(guān)系,Lawrence等[14]研究了不同摻量粗石英顆粒(平均粒徑215μm)-水泥體系的早期( 根據(jù)Cyr[12, 13]的理論,表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)均要求水泥顆粒和礦物摻合料顆粒足夠接近,隨礦物摻合料摻量增加,水泥含量逐漸減少,兩種顆粒近距離接觸的概率降低,因此需要定義一個表征有效靠近概率的參數(shù),得到復(fù)合體系內(nèi)MK與單位質(zhì)量水泥接觸的有效接觸表面積S eff。ΔRφ和ΔR pz與S eff之間存在類似的定量關(guān)系[9-11],即,
(3)
(4) 式(3)中R0為同齡期基準(zhǔn)砂漿強度,p為礦物摻合料摻量,a,b和c是三個經(jīng)驗參數(shù),其中aΦ和a pz分別表征水泥和礦物摻合料之間的MK表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng),與時間有關(guān),無量綱;b表征水泥比表面積(m2/kg),與水泥細度有關(guān);c一般取值1,無量綱。式(4)中,S為MK與單位質(zhì)量水泥接觸的面積(m2/kg),S S為礦物摻合料的比表面積(m2/kg), 為有效因子,其與時間,細度以及礦物摻料種類均無關(guān),僅與摻量p有關(guān),其中三個無量綱經(jīng)驗參數(shù)k,m和n一般為k=0.7,m=36.8,n=3.40[12]。 利用式(3)對不同MK-PC復(fù)合砂漿ΔR與有效接觸表面積S eff之間的關(guān)系進行擬合,具體結(jié)果見圖3。由圖3可知,綜合了摻合料摻量,細度和有效靠近概率等一系列因素的Cyr 模型統(tǒng)一了礦物摻合料表面成核物理增強作用和火山灰反應(yīng)化學(xué)增強作用,很好地表征了MK-PC復(fù)合膠凝材料體系中MK對材料強度的增強效果。
S t r e n g t h I n c r e a s e /M P a Efficient Surface Area/m 2/Kg 圖3 PC-MK 砂漿中MK 有效接觸表面積與增長強度之間的關(guān)系及擬合 2.2 MK CSH 、C 。圖4a 為體系內(nèi)水泥的相對水化程度, N o n e v a p o r a b l e W a t e r (% w .t .) 圖4 MK-PC 體系的化學(xué)結(jié)合水量(a)和MK 反應(yīng)量(b) Fig. 4 Nonevaporable water contents (a) and MK reaction amount (b) in the MK-PC pastes MK-PC 體系的φ值見圖5,其數(shù)值隨MK 摻量增加而增大,隨時間的增長先增大后減小,在水化90天齡期內(nèi)φ值均大于1。首先,MK 加入產(chǎn)生的“稀釋效應(yīng)”增加了復(fù)合材料體系的水灰比,雖然早期(≤3天)水灰比的增大并不會增加水泥的水化程度[11, 14],但是隨著水化時間的延長,體系內(nèi)自由水含量減少,“稀釋效應(yīng)”可以為水泥水化提供更多的毛細孔自由水,從而在后期增加了水泥的水化程度。其次,MK 的表面成核效應(yīng)通過水泥溶出組分在其表面成核點成核-生長促進了體系內(nèi)水泥水化;火山灰效應(yīng)消耗了水泥水化形成的CH ,CH 的減少促使水泥水化反應(yīng)正方向進行,因此間接促進了水泥的水化反應(yīng)。隨著摻量的增加, “稀釋效應(yīng)”對水泥水化程度的促進作用逐漸顯著,加之MK 與單位質(zhì)量水泥顆粒之間的有效接觸表面積S eff 逐漸增加,其表面成核效應(yīng)和火山灰反應(yīng)對水泥水化的促進作用亦逐漸增強,在三種機制的共同作用下φ值隨摻量逐漸增大。在水化中早期階段,“稀釋效應(yīng)”、MK 的表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)對體系內(nèi)水泥水化的促進作用逐漸增強,φ值逐漸增加;隨著水化時間延長,體系內(nèi)MK 火山灰反應(yīng)持續(xù)進行,w MK 顯著增加,而此時體系內(nèi)水泥水化趨于完全,MK-PC 復(fù)合材料體系與PC 體系之間水泥水化程度的差距逐漸縮小,表現(xiàn)為φ值后期減小。
2.3 圖擬合: ,τ和β
為復(fù)合圖6b 可知,隨MK 摻量增加,Q max 逐漸減小,大摻量范圍內(nèi)其降幅更加顯著;ΔQ max 逐漸增加。體系的放熱主要來源于水泥的水化反應(yīng)熱,因此隨MK 摻量逐漸增加,水泥含量逐漸減小,其水化產(chǎn)生的熱量逐漸降低,體系放熱量Q max 逐漸降低。ΔQ max 主要與“稀釋效應(yīng)”、MK 的表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)有關(guān)。隨MK 摻量增加,三種效應(yīng)對體系內(nèi)水泥水化的促進作用逐漸增強,與此同時MK 火山灰反應(yīng)放熱量逐漸增加,上述兩者的疊加效應(yīng)使ΔQ max 逐漸增加。
u m u l a i v e H e a t / J / g Time/h a b 圖6 MK-PC體系累計放熱曲線(a)和最大累計放熱(b) Fig. 6 Cumulative heat (a) and max cumulative heat in MK-PC pastes(b) 累計放熱曲線反映了體系內(nèi)物質(zhì)變化相互反應(yīng)的過程,并與性能發(fā)展關(guān)系緊密。圖7為不同齡期各PC-MK復(fù)合膠凝材料體系累計反應(yīng)放熱與化學(xué)結(jié)合水及砂漿強度之間的關(guān)系。由于材料體系后期放熱十分微弱,90天各體系水泥水化和火山灰反應(yīng)速度逐漸減慢,反應(yīng)程度趨于完全,因此在圖7中最大累計反應(yīng)放熱Q max與90天的化學(xué)結(jié)合水對應(yīng)。 由圖7(a)可知,化學(xué)結(jié)合水量與累計反應(yīng)熱呈正比例關(guān)系,早期即2天、3天和7天時體系的化學(xué)結(jié)合水量與累計反應(yīng)熱的正比例關(guān)系基本一致,而后期即90天時其正比例關(guān)系與早期階段有明顯差異。由圖7(b)可知,早齡期階段體系強度與反應(yīng)放熱存在線性關(guān)系。 早期體系內(nèi)存在大量的自由水空間,MK反應(yīng)量較低,其火山灰反應(yīng)對體系強度,化學(xué)結(jié)合水以及反應(yīng)放熱的影響基本可忽略,三者基本取決于此階段內(nèi)水泥的水化反應(yīng),而水泥的化學(xué)結(jié)合水量和累計反應(yīng)熱之間存在單一的比例關(guān)系,使得早期不同齡期累計反應(yīng)放熱與化學(xué)結(jié)合水量之間的正比例關(guān)系基本一致。后期體系內(nèi)水泥水化趨于完全,MK火山灰反應(yīng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,其反應(yīng)放熱與化學(xué)結(jié)合水之間的比例關(guān)系不同于水化反應(yīng),從而導(dǎo)致90天齡期時體系反應(yīng)放熱與化學(xué)結(jié)合水量之間的關(guān)系與早期階段不同。V an Breugel[17]認(rèn)為水泥基材料的強度與水化程度之間存在線性關(guān)系,而且水泥的水化程度與水化放熱之間也存在線性關(guān)系,因此復(fù)合材料的早期強度與反應(yīng)放熱之間存在線性關(guān)系。
圖7 MK-PC體系累計水化熱與化學(xué)結(jié)合水(a)及強度(b)的關(guān)系 Fig 7 Relations between cumulative heat and nonevaporable water (a) and compressive strength (b) 3 結(jié)論 (1) 50%摻量范圍內(nèi),隨著MK摻量的增加,復(fù)合砂漿長期強度均高于PC基準(zhǔn)砂漿,大摻量體系相對于低摻量體系其強度增長速度更加顯著,考慮了“稀釋效應(yīng)”、偏高嶺土表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)的有效接觸表面積模型可以定量表征復(fù)合材料體系的抗壓強度R。 (2) 在MK-PC復(fù)合膠凝材料體系中,“稀釋效應(yīng)”、偏高嶺土表面成核效應(yīng)和火山灰效應(yīng)均促進了復(fù)合材料體系內(nèi)水泥的水化,水泥相對水化程度φ隨MK摻量逐漸增加,隨時間先增加后降低,并在90天齡期內(nèi)其數(shù)值始終大于1。 (3) 在50%摻量范圍內(nèi),隨MK摻量增加,體系的最大累計放熱量Q max逐漸降低,大摻量范圍內(nèi)其降幅更加顯著;最大累計放熱增量ΔQ max逐漸增加。在水化早期,MK-PC復(fù)合膠凝材料體系的累計放熱量與其化學(xué)結(jié)合水量和砂漿強度均存在正比例關(guān)系;在水化后期,累計放熱量與化學(xué)結(jié)合水量的正比例關(guān)系不同于早期。 參考文獻: [1] Sabir B B, Wild S, Bai J. Metakaolin and calcined clays as pozzolans for concrete: a review[J]. Cement and Concrete Composites. 2001, 23(6): 441-454. [2] Dunster A M, Parsonage J R, Thomas M J K. The pozzolanic reaction of metakaolinite and its effects on Portland cement hydration[J]. Journal of Materials Science. 1993, 28(5): 1345-1350. [3] G U Neyisi E, Geso U G Lu M, Mermerda C S K I M. Improving strength, drying shrinkage, and pore structure of concrete using metakaolin[J]. Materials and structures. 2008, 41(5): 937-949. [4] Gruber K A, Ramlochan T, Boddy A, et al. Increasing concrete durability with high-reactivity metakaolin[J]. Cement and Concrete Composites. 2001, 23(6): 479-484. [5] Poon C S, Kou S C, Lam L. Compressive strength, chloride diffusivity and pore structure of high performance metakaolin and silica fume concrete[J]. Construction and Building Materials. 2006, 20(10): 858-865. [6] Frias M, de Rojas M, Cabrera J. The effect that the pozzolanic reaction of metakaolin has on the heat evolution in metakaolin-cement mortars[J]. Cement and Concrete Research. 2000, 30(2): 209-216. [7] Khatib J M, Wild S. Pore size distribution of metakaolin paste[J]. Cement and Concrete Research. 1996, 26(10): 1545-1553. [8] Justice J M, Kurtis K E. Influence of Metakaolin Surface Area on Properties of Cement-Based Materials[J]. Journal of Materials in Civil Engineering. 2007, 19(9): 762-771. [9] 錢曉倩,詹樹林,李宗津. 摻偏高嶺土的高性能混凝土物理力學(xué)性能研究[J]. 建筑材料學(xué)報. 2001, 4(1): 74-78. QIAN Xiaoqian, ZHAN Shulin, LI Zongjin. Research of the physical and mechanical properties of the high performance concrete with metakaolin[J]. Journal of Building Materials. 2001, 4(1), 74-78. (in Chinese) [10] Wild S, Khatib J M, Jones A. Relative strength, pozzolanic activity and cement hydration in superplasticised metakaolin concrete[J]. Cement and Concrete Research. 1996, 26(10): 1537-1544. [11] Oey T, Kumar A, Bullard J W, et al. The filler effect: the influence of filler content and surface area on cementitious reaction rates[J]. Journal of the American Ceramic Society. 2013, 96(6): 1978-1990. [12] Cyr M, Lawrence P, Ringot E. Efficiency of mineral admixtures in mortars: Quantification of the physical and chemical effects of fine admixtures in relation with compressive strength[J]. Cement and Concrete Research. 2006, 36(2): 264-277. [13] Cyr M, Lawrence P, Ringot E. Mineral admixtures in mortars: quantification of the physical effects of inert materials on short-term hydration[J]. Cement and concrete research. 2005, 35(4): 719-730. [14] Lawrence P, Cyr M, Ringot E. Mineral admixtures in mortars: effect of inert materials on short-term hydration[J]. Cement and concrete research. 2003, 33(12): 1939-1947. [15] 李響,阿茹罕,閻培渝. 水泥-粉煤灰復(fù)合膠凝材料水化程度的研究[J]. 建筑材料學(xué)報. 2010, 13(5): 584-588. LI Xiang, Aruhan, YAN Peiyu. Research on hydration degree of cement-fly ash complex binders[J]. Journal of Building Materials. 2010, 13(5): 584-588. (in Chinese) [16] Schindler A K, Folliard K J. Heat of hydration models for cementitious materials[J]. ACI Materials Journal. 2005, 102(1). [17] Van Breugel K. Simulation of hydration and formation of structure in hardening cement-based materials. Delft: Delft University of Technology[D]. Doctoral thesis, 1991.
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