摻偏高嶺土的高性能混凝土物理力學(xué)性能研究

1、第4卷第1期2001年3月建 筑 材 料 學(xué) 報(bào)JOURNALOFBUILDINGMATERIALS Vol.4,No.1Mar.,2001文章編號(hào):1007-9629(2001)01-0075-04摻偏高嶺土的高性能混凝土物理力學(xué)性能研究錢曉倩1, 詹樹林1, 李宗津2(1.浙江大學(xué)土木系,浙江杭州310027;2.香港科技大學(xué)土木系,香港)摘要:采用美國(guó)產(chǎn)MTS試驗(yàn)機(jī),分別研究了摻0%,5%,10%,15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))偏高嶺土混凝土的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系.試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著偏高嶺土摻量的增加,混凝土的軸拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變相應(yīng)提高、抗拉彈性模量基本不變,而混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著提高、拉壓比則相應(yīng)下

2、降.此外,當(dāng)摻量為5%時(shí),可保持混凝土的流動(dòng)性基本不變;摻量為15%時(shí),坍落度下降20%左右,但可通過增加20%的高效減水劑用量來加以調(diào)整.因此,將偏高嶺土作為高性能混凝土摻合料使用將是十分便利的.關(guān)鍵詞:高嶺土;偏高嶺土;混凝土;高性能混凝土;軸向拉伸;應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中圖分類號(hào):TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearchofthePhysicalandMechanicalPropertiesoftheHighPerformanceConcretewithMetakaolinQIANXiao-qian1, ZHANShu-lin1, LIZong-jin2(1.CivilEngineering

3、Department,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China;Abstract:Therelationshipsbetweentensilestressandstrainofconcretewithincorporated0%,5%,10%,15%metakaolin(MK)werestudied.Testresultsshowthat,withtheraisingofMKreplace-ment,thetensilestrengthandpeakstrainofconcreteincreaseandthecompressivestrengthofcon

4、creteincreasessignificantly,butthetensileelasticmodulusisnearlysameandtheratiooftensilestrengthtocompressivestrengthisdecreased.WiththeraisingofMKreplacement,theareacoveredbydescend-ingcurveofoverpeakstressisimprovedwhen5%and10%ofcementreplacedbyMK.Whencon-tentofMKislower,suchas5%,theworkabilityofco

5、ncreteisallthesameasthatwithoutMK.WhenthecontentofMKis15%,theslumpofconcreteisdecreasedabout20%.ButtheslumpcouldbekeptthesamewiththatwithoutMKonlybyaddinganother20%superplasticizer.Therefore,theMKisaveryefficientenhancingadditionforhighperformanceconcrete.Keywords:kaolin;metakaolin;concrete;highperf

6、ormanceconcrete;uniaxialtensile;stressandstrain近年來,偏高嶺土(以下簡(jiǎn)稱MK)作為高性能混凝土的摻合料在國(guó)外的研究和應(yīng)用中已十分普遍.MK是一種高火山灰活性的微粉,由高嶺土在700800bC條件下脫水而得收稿日期:2000-05-24;修訂日期:2000-07-10作者簡(jiǎn)介:錢曉倩(1962-),男,浙江嵊州人,浙江大學(xué)副教授,碩士.1,其在混凝土中76 建 筑 材 料 學(xué) 報(bào)第4卷的作用與硅粉及其它火山灰相似,主要為微粉的填充效應(yīng)、對(duì)硅酸鹽水泥水化的加速作用及與Ca(OH)2的火山灰反應(yīng),即活性SiO2和Al2O3與Ca(OH)2水化生成CSH

7、凝膠和水化鋁酸鈣(C4AH13,C3AH6)、水化硫鋁酸鈣(C2ASH8)2,3.大量的研究結(jié)果表明,在混凝土中摻入MK,能顯著提高其早期強(qiáng)度和長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度,抑制混凝土的堿骨料反應(yīng),提高抗硫酸鹽腐蝕能力.Dubey等的研究結(jié)果表明,在鋼纖維混凝土中摻入高活性MK,可有效改善混凝土的沖擊韌性和耐久性6.Bai等的研究結(jié)果表明,隨著MK摻量的提高,混凝土的流動(dòng)性略有下降,因此需要適當(dāng)增加高效減水劑的用量741)5.在我國(guó),關(guān)于將MK作為高性能混凝土的摻合料的研究應(yīng)用尚未見詳細(xì)報(bào)道.本文主要研究了摻不同量MK混凝土的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和拉壓比,并就混凝土的和易性及摻超量高效減

8、水劑對(duì)改善混凝土流動(dòng)性的作用效果作一簡(jiǎn)要介紹.1 原材料和試驗(yàn)方法1.1 原材料表1 偏高嶺土的化學(xué)組成Table1 ChemicalcompositionsofmetakaolinSiO248.45Al2O344.17CaO0.10MgO0.13Fe2O30.64K2O+Na2O0.05IL0.90w/%表2 MK混凝土配合比Table2 MixingproportionsofconcreteCodeMK0MK5MK10MK15MKS5MKS10MKS15C426405383362405383362S720720720720720720720kg/m3Note:mW/mB=0.40;Sand

9、ratiois40%.1.2 試驗(yàn)方法軸拉薄板試樣尺寸為300mm100mm20mm.試驗(yàn)時(shí),在試樣兩端分別粘貼鋼板,然后通過球鉸將其連結(jié)到試驗(yàn)機(jī)上;在試樣兩側(cè)分別安裝跨距為120mm的線性位移傳感器(LVDT)后,軸壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸為5100mm200mm(圓柱體),試樣兩端分別用硫磺膠凝找平,加載速率為4kN/s.1)JonesTR,WaltersGV,KostuchJA.RoleofmetakaolininsuppressingASRinconcretecontainingreactiveaggregateandexposedtosaturatedNaClsolutionA.Proc

10、eedingsofthe9thInternationalConferenceonAlkaliaggregateReactioninConcreteC.1992.1:485-496.第1期錢曉倩等:摻偏高嶺土的高性能混凝土物理力學(xué)性能研究 772 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論2.1 MK混凝土的和易性摻不同量MK混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果見圖2.由圖2可見,固定KFDN的摻量為1%,則混凝土坍落度隨MK摻量的增加而減小,但當(dāng)MK摻量為5%10%時(shí),MK對(duì)坍落度的影響較小,其下降幅度小于10%.當(dāng)MK摻量為15%時(shí),坍落度從220mm下降到175mm,大約下降20%.與摻等量硅灰相比,MK對(duì)混凝土坍落度的影響較

11、小.此外,由于MK巨大的比表面積和微粉效應(yīng),使混凝土的粘聚性和保水性得到極為顯著的改善.當(dāng)KFDN摻量由原來的1.0%增加到1.2%時(shí),與基準(zhǔn)混凝土相比,摻入5%10%MK的混凝土流動(dòng)性提高5%圖1 軸拉試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Setupofuniaxialtensiletest摻MK混凝土的軸拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖3,軸拉強(qiáng)度見表3,表3中同時(shí)列出了混凝土軸壓強(qiáng)度和拉壓強(qiáng)度比.由圖3、表3可以看出,混凝土的軸拉強(qiáng)度隨著MK摻量的增加而提高.摻量為10%和15%時(shí),分別比基準(zhǔn)混凝土提高16%和28%,相應(yīng)的峰值應(yīng)變分別增加19%和27%.從軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)看,當(dāng)MK摻量為5%和10%時(shí)

12、,超過峰 值部分的下降段趨于平緩,且應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)與基準(zhǔn)混凝土相似.根據(jù)Mindess等在材料斷裂理論中關(guān)于原子應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積代表導(dǎo)致材料斷裂功的論述,圖3中應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍的面積大小可以間接表征混凝土的抗斷裂能力.通過簡(jiǎn)單的積8表3 摻MK混凝土的軸拉、軸壓強(qiáng)度和拉壓比Table3 Uniaxialtensilestrength,uniaxialcompressivestrengthandtheirratio(28d)SampleMK0MK5MK10MK15TensilestrengthCompressivestrengthCompressivestrength分計(jì)算可知,摻5

13、%和10%MK的混凝土,其面積增長(zhǎng)率比基準(zhǔn)混凝土相應(yīng)的軸拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率要大得多,說明摻入適量的MK能提高混凝土的抗斷裂能力.當(dāng)MK摻量為15%時(shí),其面積增長(zhǎng)率與軸拉強(qiáng)度增長(zhǎng)率基本相同.這一試驗(yàn)結(jié)果與Dubey等6的研究成果基本一致.圖2 MK摻量與混凝土坍落度的關(guān)系Fig.2 TherelationshipofslumpwithMKcontent圖3 不同MK摻量的混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Therelationshipofuniaxialtensilestress-strainofconcretewithdifferentMKcontent78 建 筑 材 料 學(xué) 報(bào)第4卷 與混凝土

14、的軸拉強(qiáng)度相比,其軸壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率相對(duì)較大.摻5%,10%和15%MK的抗壓強(qiáng)度分別比基準(zhǔn)混凝土的提高21%,69%和84%,從而導(dǎo)致混凝土的拉壓比隨MK摻量的增加而下降,這一點(diǎn)與普通混凝土的規(guī)律是相符的.另外,MK摻量為10%與15%時(shí),其混凝土拉壓強(qiáng)度比基本相同.3 結(jié)論1.當(dāng)MK摻量為5%時(shí),其對(duì)混凝土的流動(dòng)性影響很小;當(dāng)MK摻量提高到10%15%時(shí),混凝土的流動(dòng)性有所下降,但只要適當(dāng)增加高效減水劑的摻量便能保持其與基準(zhǔn)混凝土流動(dòng)性基本相同(同時(shí)還能改善混凝土的粘聚性和保水性).因此,將MK作為高強(qiáng)高性能混凝土的摻合料使用是十分方便的.2.在混凝土中摻入10%15%的MK能有效提高其軸拉

15、強(qiáng)度.MK摻量為5%10%時(shí),與基準(zhǔn)混凝土相比,軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積值顯著大于軸拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)率,這間接表明混凝土的抗斷裂能力也得以相應(yīng)提高.4.綜合上述試驗(yàn)結(jié)果,可以認(rèn)為MK是一種優(yōu)異的高強(qiáng)高性能混凝土摻合料.從現(xiàn)有試驗(yàn)資料看,它的適宜摻量為10%15%.參考文獻(xiàn):1 KlimeschDS,RayA.Autoclavedcement-quartzpasteswithmetakaolinadditionsJ.AdvnCemBasMat,1998,7:109-118.2 HeChangling,BajarneOsback,EmailMakovicky.Pozzolanicreaction

16、ofsixprincipalclayminerals:activationreactivityassess-mentsandtechnologicaleffectsJ.CementandConcreteResearch,1995,25(8):1691-1702.3 ZhangMH,MalotraVM.Characteristicsofathermallyactivatedalumino-silicatepozzolanicmaterialanditsuseinconcreteJ.CementandConcreteResearch,1995,25(8):1713-1725.4 WildS,Kha

17、tibJM,JonesA.Relativestrength,pozzolanicactivityandcementhydrationinsuperplasticisedmetakaolinconcreteJ.CementandConcreteResearch,1996,26(10):1537-1544.5 KhatibJ,WildS.SulfateresistanceofmetakaolinmortarJ.CementandConcreteResearch,1998,28(1):28-32.6 DubeyA,BanthiaN.Influenceofhigh-reactivitymetakaolinandsilicafumeontheflexuraltoughnessofhigh-performancest