表面活性劑改性偏高嶺土對水泥性能影響的試驗(yàn)研究

孔　赟，李　松，韓金龍（.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430070；.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

表面活性劑改性偏高嶺土對水泥性能影響的試驗(yàn)研究

孔赟1，李松1，韓金龍2
（1.湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北武漢430070；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070）

利用表面活性劑改性偏高嶺土，應(yīng)用于水泥中，研究不同改性劑用量的改性偏高嶺土對漿體工作性能、力學(xué)性能的影響。并運(yùn)用FTIR、XRD和TG等方法對其水化機(jī)理進(jìn)行了探討。結(jié)果表明：表面活性劑改性偏高嶺土能夠有效地改善水泥基材料的工作性能，提高漿體的早期強(qiáng)度；當(dāng)改性劑用量為1%時，其工作性能與基準(zhǔn)樣幾乎持平，且7 d抗壓強(qiáng)度相對于未改性偏高嶺土樣提高了2.3 MPa，同時，表面活性劑可以優(yōu)化偏高嶺土的分散效應(yīng)，加速二次水化作用。

表面活性劑；偏高嶺土；工作性能；強(qiáng)度；微觀結(jié)構(gòu)

近年來，偏高嶺土作為水泥混凝土工程的新一代高活性輔助膠凝材料在國外的研究與應(yīng)用正日趨活躍。大量研究表明［1-4］，偏高嶺土具有優(yōu)異的火山灰活性，能顯著提高混凝土早期強(qiáng)度，同時后期強(qiáng)度也在不斷提高。摻偏高嶺土的混凝土的綜合性能完全可以與硅灰混凝土相媲美，因此，將偏高嶺土應(yīng)用于水泥進(jìn)行改性具有廣闊的前景。

然而，由于偏高嶺土的片狀結(jié)構(gòu)，不利于其在水泥體系中的分散，同時也影響體系的流變性能［5-6］。因此，如何提高偏高嶺土混凝土的工作性能以及更有效地激發(fā)偏高嶺土的火山灰活性，應(yīng)用于實(shí)際工程之中，有待進(jìn)一步研究。本文采用表面活性劑對偏高嶺土進(jìn)行改性，將改性后的偏高嶺土應(yīng)用于水泥基材料中，研究改性偏高嶺土對砂漿工作性能和力學(xué)性能的影響，并通過微觀測試手段分析其水化機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·Ⅰ42.5水泥，湖北華新水泥股份有限公司，比表面積455 m2/kg，密度3.07 g/cm3，化學(xué)成分見表1，物理力學(xué)性能見表2；偏高嶺土：茂名高嶺科技有限公司，化學(xué)成分見表1；表面活性劑SA：硬脂酸類，市購，白色固體狀，微溶于水；細(xì)集料：標(biāo)準(zhǔn)砂；水：潔凈自來水。

表1　水泥和偏高嶺土的化學(xué)成分%

表2　水泥的物理力學(xué)性能

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1改性偏高嶺土的制備

首先將偏高嶺土置于105℃烘箱中干燥24 h，然后將烘干后的偏高嶺土放入陶瓷球磨機(jī)中，分別加入占偏高嶺土質(zhì)量0、0.5%、1.0%的表面活性劑，研磨60 min，制得改性偏高嶺土。表面活性劑SA用量為1.0%時制得的改性偏高嶺土SA-MK和未改性偏高嶺土MK的粒徑分布見圖1，F(xiàn)TIR分析見圖2。

圖1　改性前后偏高嶺土的粒徑分布

從圖1可以看出，改性后偏高嶺土的粒徑分布向大顆粒方向移動，但總體分布影響不大。

圖2　改性前后偏高嶺土的FTIR分析

從圖2可以看出，3400、1650 cm-1處為偏高嶺土中羥基的伸縮振動和彎曲振動吸收峰。相比偏高嶺土而言，改性偏高嶺土在2958和2850 cm-1處出現(xiàn)C—H的伸縮振動峰，同時在1720 cm-1處出現(xiàn)新的吸收峰，為C=O伸縮振動吸收峰。因此可以推斷，表面活性劑與偏高嶺土表面羥基進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，形成C=O類的結(jié)合鍵。

1.2.2水泥砂漿的制備

本試驗(yàn)采用流動度和強(qiáng)度綜合評價偏高嶺土對砂漿的改性效果，從而確定改性劑的用量。流動度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進(jìn)行測試；強(qiáng)度試件采用三聯(lián)模成型，尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》測試抗折和抗壓強(qiáng)度。砂漿的基準(zhǔn)配合比見表3。

表3　砂漿基準(zhǔn)配合比

1.2.3水泥基材料體系微觀結(jié)構(gòu)表征

將水泥、偏高嶺土或改性偏高嶺土（取代水泥量為5%）和水混合，水灰比為0.35，在凈漿攪拌機(jī)中攪拌均勻，用40 mm×40 mm×40 mm六聯(lián)試模成型，靜置1 d，待成型后脫模，在溫度為（20±1）℃、相對濕度不低于90%的濕氣養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

采用XRD分析摻加改性前后偏高嶺土砂漿的物相組成；采用STA 449c型熱重分析儀測試砂漿的水化產(chǎn)物，測試溫度范圍為25～1000℃，升溫速率為10℃/min。

2　結(jié)果分析與討論

2.1表面活性劑SA用量對砂漿流動度和強(qiáng)度的影響（見表4）

表4　表面活性劑SA用量對砂漿流動度和強(qiáng)度的影響

從表4可以看出：

（1）偏高嶺土的加入大大地降低了砂漿的流動性。然而，摻入經(jīng)表面活性劑SA改性的偏高嶺土則明顯改善了砂漿的流動性，且隨著SA用量的增加，流動性增大。這是由于表面活性劑SA結(jié)合于偏高嶺土表面，引入憎水基團(tuán)，從而釋放了偏高嶺土吸附的水分的緣故。當(dāng)SA用量達(dá)到1.0%時，與基準(zhǔn)樣的流動度相差不大，說明表面活性劑改性偏高嶺土有利于砂漿流動性的提高。

（2）偏高嶺土的加入能夠顯著提高砂漿的強(qiáng)度。與此同時，摻入經(jīng)表面活性劑SA改性的偏高嶺土試樣對比未改性偏高嶺土試樣而言，無論是抗折強(qiáng)度還是抗壓強(qiáng)度均有所提高，尤其是7 d強(qiáng)度。這是由于結(jié)合在偏高嶺土表面的改性劑的相互作用，使得改性偏高嶺土更有效地分散于膠凝材料中，改性劑在水泥體系攪拌過程中從改性偏高嶺土表面釋放出來，同時，由于表面活性劑SA能與鈣離子結(jié)合生成不溶性的鈣鹽，這在一定程度上加速了水泥水化反應(yīng)，提高體系中離子濃度，促進(jìn)偏高嶺土的二次水化作用，而在后期水化反應(yīng)過程中逐漸將鈣離子釋放出來。綜上所述，表面活性劑SA的最佳用量為1.0%。

2.2摻改性偏高嶺土水泥體系的XRD分析

基準(zhǔn)試樣A、摻5%偏高嶺土試樣B和摻5%改性偏高嶺土試樣C2水化7 d的XRD圖譜見圖3。

圖3　A、B和C2試樣水化7 d的XRD圖譜

從圖3可以看出，3組試樣的成分幾乎相同，都是鈣礬石、Ca（OH）2和C3S。其中，由于偏高嶺土的二次水化作用會消耗水化產(chǎn)物Ca（OH）2，從Ca（OH）2的特征衍射峰強(qiáng)度可以明顯發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2含量高低順序?yàn)锳＞B＞C2。這說明C2試樣（摻經(jīng)1.0%表面活性劑SA改性的偏高嶺土）在早期迅速加速水化反應(yīng)，且偏高嶺土活性效應(yīng)得到進(jìn)一步的提高。此外，其未水化的C3S、C2S的特征衍射峰的強(qiáng)度高低順序?yàn)锳＞B＞C2。這表明了偏高嶺土加速了水泥水化反應(yīng)，改性偏高嶺土則進(jìn)一步提高了水泥水化進(jìn)程。

2.3摻改性偏高嶺土水泥體系的TG分析

基準(zhǔn)試樣A、摻5%偏高嶺土試樣B和摻5%改性偏高嶺土試樣C2在7 d齡期的TG分析見圖4。

從圖4可以看出，Ca（OH）2脫水分解的溫度區(qū)域?yàn)?00～500℃。對比不同試樣Ca（OH）2脫水分解的溫度區(qū)間的損失量均可以發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2的含量高低順序?yàn)锳＞B＞C2。這表明了在水泥基材料水化早期，偏高嶺土由于其火山灰效應(yīng)消耗了水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，而改性偏高嶺土的二次水化作用得到了進(jìn)一步提高，這與XRD測試結(jié)果一致。

圖4　A、B和C2試樣在7 d齡期的TG分析

3　結(jié)論

（1）表面活性劑SA改性偏高嶺土以5%摻量摻入水泥基材料中，能夠有效地改善砂漿的工作性能，當(dāng)改性劑用量達(dá)到1.0%時，砂漿的工作性能達(dá)到最佳。與此同時，改性后的偏高嶺土能夠顯著提高砂漿的早期強(qiáng)度，當(dāng)改性劑摻量為1.0%時，7 d抗壓強(qiáng)度相對于摻加未改性偏高嶺土的試樣提高了2.3 MPa。

（2）FTIR結(jié)果表明，表面活性劑SA與偏高嶺土表面的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成C=O類的結(jié)合鍵。

（3）XRD和TG結(jié)果表明，偏高嶺土的引入消耗了體系中的Ca（OH）2，生成了結(jié)構(gòu)更加密實(shí)的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的二次水化產(chǎn)物。改性偏高嶺土在表面活性劑分子的作用下，加速了體系的水化反應(yīng)，進(jìn)一步提高了水泥基材料的早期水化進(jìn)程。

［1］陳益蘭，趙亞妮，李靜，等.偏高嶺土代替硅灰配制高性能混凝土［J］.硅酸鹽學(xué)報，2004，32（4）：524-429.

［2］金偉良，趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［3］陳益蘭，趙亞妮，雷春燕.摻偏高嶺土的高性能混凝土研究［J］.新型建筑材料，2003（11）：41-43.

［4］楊鳳玲，嵇銀行，李玉壽，等.偏高嶺土對混凝土性能影響研究［J］.混凝土與水泥制品，2011（5）：4-8.

［5］Zongjin Li，Zhu Ding.Property improvement of Portland cement by incorporating with metakaolin and slag［J］.Cement and Concrete Research，2003，33（4）：579-584.

［6］Dvorkin L，Bezusyak A，Lushnikova N，et al.Using mathematical modeling for design of self compacting high strength concrete with metakaolin admixture［J］.Construction and Building Materials，2012，37（4）：851-864.

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，湖北天門人，碩士，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)建筑材料。