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【摘 要】在合适的生产技术条件下，通过研磨和煅烧高岭土制备偏高岭土（MK），研究了掺MK高性能混凝土的自收缩。结果表明，MK对高性能混凝土的自收缩有有效的抑制作用，添加了MK将会增加水泥早期自收缩的抑制作用。从浇筑后的24小时到56天内这种对混凝土自收缩的抑制作用均高于对照组混凝土，其中掺15%的MK的抑制作用最高。浇注24小时后，随MK的增加混凝土总收缩量将大幅降低，低于对比组试件的收缩值。
【关键词】高性能混凝土；偏高岭土；自收缩；总自收缩
【Abstract】Under appropriate technical conditions of production， prepared by grinding calcined kaolin and metakaolin （MK）， MK research doped high performance concrete from contraction. The results showed that， MK for autogenous shrinkage of high performance concrete has potent inhibitory effect， adding MK inhibition of early cement will increase from contraction. From 24 hours to 56 days after pouring concrete from this inhibition were higher shrinkage of concrete， which mixed with 15% of maximum inhibition of MK. 24 hours after pouring， with the MK increases the total amount of shrinkage of concrete will be significantly lower， lower than the control group shrinkage specimens.
【Key words】High-performance concrete；Metakaolin；Self-contraction；Total self-contraction
1. 引言
（1）上世纪80年代以来，基于混凝土技术的进步，高强高性能混凝土越来越多地应用于各种类型的建筑结构。混凝土材料强度的提高，可以有效的降低建筑物的自重，尤其适宜高层建筑和大跨度桥梁的建造。相对于普通混凝土，使用高性能混凝土还能够减少资源的消耗，有利于可持续发展。但是，不管是在实际工程应用中，还是在试验室都发现，高性能混凝土普遍具有发生早期裂纹的趋势，混凝土结构裂纹的产生大部分是由于混凝土收缩引起的，然而荷载引起的裂缝很少。
（2）高性能混凝土目前存在三个问题，它们分别是：抗冻性、收缩和耐久性，而收缩在这三个问题中是重中之重。在实际工程中，人们大都只关心混凝土总的收缩，混凝土的总的收缩实际上却包括各种原因引起的收缩：对于普通混凝土，干缩是主要的；而对于高性能混凝土，自收缩问题也不容忽视。区别不同的收缩，有助于采取相应的措施减少收缩，以防止或减少混凝土的开裂。
（3）自收缩在自应力高性能混凝土中是一个重要的研究课题。在混凝土中，自收缩是在温度和湿度不断变化而且是初步凝结的条件下进行的。对于高性能混凝土，由于它的水胶比很低，早期强度较高地发展会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%，并且高性能混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，在这种条件下开始产生自收缩。有研究表明，2个月龄期，水胶比为0.4的高性能混凝土自收缩为1×10-4mm；水胶比为0.3的高性能混凝土的自收缩为2×10-4mm；水胶比为0.17的高性能混凝土的自收缩为8×10-4mm。高性能混凝土的总收缩中干缩和自收缩几乎是相等的。为了减少混凝土宏观体积的收缩，在本文中，对高性能混凝土中加入偏高岭土（MK）进行研究其自收缩，并与混凝土的干收缩作对比。
2. 实验
2.1 仪器。
混凝土收缩膨胀仪（图1），用于测定混凝土试件在规定的温湿度条件下的长度（体积）变化。
2.2 制备偏高岭土。
2.2.1 在合适的生产技术条件下，通过研磨和煅烧高岭土制备偏高岭土（MK）。Al2O3·2SiO2·2H2O-AS2H2脱水，在较高的温度下形成Al2O3·2SiO2-AS2。高岭土的化学成分列于表1。
2.2.2 为了研究MK的活性，分别采用在700 oC 、750 oC 、800 oC和850oC煅烧条件下的MK，用抗压强度来比较其活性。此外，为了判断细度对MK活性的影响，有两种细度的MK进行试验。结果在表2中给出。
2.2.3 对抗折强度和抗压强度的分析可以得出以下结论：（1）在750 oC时，火山灰的活性是最高的。（2）含有10%～15%MK的水泥混凝土试件的强度是最高的。（3）掺有较高细度MK的水泥试件（B2、C2组）具有较高的抗折强度和抗压强度。
2.3 混凝土配合比（MK 混凝土配比见表3）。
当原料在750 oC时煅烧，MK的密度大约是2.51g/cm3，细度为80μm的筛余约0.01g。混凝土的配合比见表3。“O”代表标准的高性能对比试件， M5，M10和M15分别表示水泥混凝土中含有5%、10%和15%的MK。
3. 试验结果与讨论
3.1 掺MK的混凝土的物理力学性能如表4、表5所示。
（1）试验结果表明：掺加MK能提高混凝土的强度。抗压强度的顺序是M10> M15> M5>O （见表4），抗压强度随着龄期的增加而逐渐增强。 （2）此外，对于掺有MK的水泥混凝土试件的抗压弹性模量大于对比组试件。抗拉强度和抗折强度都大于对比组试件。抗压强度与抗折强度的比值反映了材料的脆性，如果比值越大，脆性越大；相反比值越小，脆性将越小（见表5）。在脆性水泥混凝土中，掺有MK的混凝土的脆性是逐渐降低的。综合考虑抗压、抗拉和抗折强度，M10组有较好的表现。
3.2 混凝土的自收缩。
（1）在高性能水泥混凝土中，龄期和自收缩值之间具有不同的关系，如图2～图5显示。图2和图3分别显示了MK水泥混凝土在两个时期自收缩的趋势。
（2）图2表明，在早期收缩中，MK发挥了良好的作用。在开始的24h，自收缩值随着MK的增加而下降。与标准混凝土试件收缩值相比，掺有不同百分比的MK的水泥混凝土，掺量从5%，10%和15%，自收缩值分别减少了17%，42%和65% 。在此期间，自收缩值的减少与MK的掺量有关，在早期阶段MK可以推迟水泥水化，而且掺入MK越多，推迟影响越明显。随着掺入MK的增加，自收缩值逐渐下降。图3表明，从24h到14d掺加了MK的水泥混凝土试件的自收缩值显著降低，这可能是由于以下原因：掺入偏高岭土的混凝土具有较好的多孔结构，这些多孔结构有利于外部水气的进入，大大的改善了微孔结构中混凝土内部水的缺失，这样可以加速水泥水化，早期强度较高地、较快地发展，在这种条件下可以减缓混凝土的自收缩，从而降低其收缩能力。掺入MK的混凝土自收缩能力随着掺入MK的增加而下降，这可能是因为增加了MK的比例，AS2/CH的比值在增大，从而使无水硅酸铝（AS2）和Ca（OH）2生成水化钙铝黄长石（C2ASH8），使水化钙铝黄长石（C2ASH8）增多，而使水化铝酸四钙（C4AH13）减少，而水化钙铝黄长石（C2ASH8）是一种复相多孔结构，这也就是MK混凝土中为何有较多的多孔结构的原因了。
（3）图3和图4显示的变化可知，通过对MK水泥混凝土56d的试验中，在最初的几天内抑制自收缩变化比较明显，而在
后期，对混凝土的自收缩的抑制均不明显。但对于56d总的自收缩，都是不高于对比的混凝土试件。对比的混凝土收缩率分别为5% ，10%和15% ，而掺入MK的混凝土随着MK掺量的不同分别减少了2% ，13%和33%。
（4）图5显示了24h后到56d总的收缩值，总收缩值包括在24h自收缩值和环境干缩所造成的干燥收缩值。MK对混凝土总的收缩值的影响是很明显的：它的减少与MK的增加相关。一般水泥混凝土的收缩率为5% ，10%和15% ，而MK水泥混凝土减少了11% ，20%和29% 。通过图3和图5的比较 ，明确得出，掺有MK的混凝土在24h之外其总的收缩主要是由于除了自收缩以外的其它收缩，比如干燥收缩、碳化收缩和化学收缩。表6也同样表明，从混凝土浇筑到24h内，MK对抑制混凝土自收缩的效果是显著的。这与在MK对混凝土改善的微孔结构中混凝土内部水的损失有关。
4. 结论
（1）MK可以很好的抑制高性能混凝土的早期收缩（24h之内），这种抑制作用随着MK的增加而增强。
（2）从24h到56d，添加了MK的混凝土，其自收缩值均低于那些对比试件，特别是含有15%MK的混凝土试件的自收缩值是最低的。
（3）从24小时到56天，添加了MK的混凝土，总收缩值是随着MK的增加而逐渐减少的，而且一直是低于对比组试件的总收缩值，这对混凝土耐久性是非常有帮助的。
[文章编号]1619-2737（2015）06-20-649
[作者简介] 薛鹏飞（1985.12-），男，毕业时间：2011年7月，毕业院校：天津城建大学，专业：材料科学与工程，职称：助理工程师，研究方向：外加剂对水泥及混凝土的性能影响，工作单位：天津市建筑科学研究院有限公司。
【关键词】高性能混凝土；偏高岭土；自收缩；总自收缩
【Abstract】Under appropriate technical conditions of production， prepared by grinding calcined kaolin and metakaolin （MK）， MK research doped high performance concrete from contraction. The results showed that， MK for autogenous shrinkage of high performance concrete has potent inhibitory effect， adding MK inhibition of early cement will increase from contraction. From 24 hours to 56 days after pouring concrete from this inhibition were higher shrinkage of concrete， which mixed with 15% of maximum inhibition of MK. 24 hours after pouring， with the MK increases the total amount of shrinkage of concrete will be significantly lower， lower than the control group shrinkage specimens.
【Key words】High-performance concrete；Metakaolin；Self-contraction；Total self-contraction
1. 引言
（1）上世纪80年代以来，基于混凝土技术的进步，高强高性能混凝土越来越多地应用于各种类型的建筑结构。混凝土材料强度的提高，可以有效的降低建筑物的自重，尤其适宜高层建筑和大跨度桥梁的建造。相对于普通混凝土，使用高性能混凝土还能够减少资源的消耗，有利于可持续发展。但是，不管是在实际工程应用中，还是在试验室都发现，高性能混凝土普遍具有发生早期裂纹的趋势，混凝土结构裂纹的产生大部分是由于混凝土收缩引起的，然而荷载引起的裂缝很少。
（2）高性能混凝土目前存在三个问题，它们分别是：抗冻性、收缩和耐久性，而收缩在这三个问题中是重中之重。在实际工程中，人们大都只关心混凝土总的收缩，混凝土的总的收缩实际上却包括各种原因引起的收缩：对于普通混凝土，干缩是主要的；而对于高性能混凝土，自收缩问题也不容忽视。区别不同的收缩，有助于采取相应的措施减少收缩，以防止或减少混凝土的开裂。
（3）自收缩在自应力高性能混凝土中是一个重要的研究课题。在混凝土中，自收缩是在温度和湿度不断变化而且是初步凝结的条件下进行的。对于高性能混凝土，由于它的水胶比很低，早期强度较高地发展会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%，并且高性能混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，在这种条件下开始产生自收缩。有研究表明，2个月龄期，水胶比为0.4的高性能混凝土自收缩为1×10-4mm；水胶比为0.3的高性能混凝土的自收缩为2×10-4mm；水胶比为0.17的高性能混凝土的自收缩为8×10-4mm。高性能混凝土的总收缩中干缩和自收缩几乎是相等的。为了减少混凝土宏观体积的收缩，在本文中，对高性能混凝土中加入偏高岭土（MK）进行研究其自收缩，并与混凝土的干收缩作对比。
2. 实验
2.1 仪器。
混凝土收缩膨胀仪（图1），用于测定混凝土试件在规定的温湿度条件下的长度（体积）变化。
2.2 制备偏高岭土。
2.2.1 在合适的生产技术条件下，通过研磨和煅烧高岭土制备偏高岭土（MK）。Al2O3·2SiO2·2H2O-AS2H2脱水，在较高的温度下形成Al2O3·2SiO2-AS2。高岭土的化学成分列于表1。
2.2.2 为了研究MK的活性，分别采用在700 oC 、750 oC 、800 oC和850oC煅烧条件下的MK，用抗压强度来比较其活性。此外，为了判断细度对MK活性的影响，有两种细度的MK进行试验。结果在表2中给出。
2.2.3 对抗折强度和抗压强度的分析可以得出以下结论：（1）在750 oC时，火山灰的活性是最高的。（2）含有10%～15%MK的水泥混凝土试件的强度是最高的。（3）掺有较高细度MK的水泥试件（B2、C2组）具有较高的抗折强度和抗压强度。
2.3 混凝土配合比（MK 混凝土配比见表3）。
当原料在750 oC时煅烧，MK的密度大约是2.51g/cm3，细度为80μm的筛余约0.01g。混凝土的配合比见表3。“O”代表标准的高性能对比试件， M5，M10和M15分别表示水泥混凝土中含有5%、10%和15%的MK。
3. 试验结果与讨论
3.1 掺MK的混凝土的物理力学性能如表4、表5所示。
（1）试验结果表明：掺加MK能提高混凝土的强度。抗压强度的顺序是M10> M15> M5>O （见表4），抗压强度随着龄期的增加而逐渐增强。 （2）此外，对于掺有MK的水泥混凝土试件的抗压弹性模量大于对比组试件。抗拉强度和抗折强度都大于对比组试件。抗压强度与抗折强度的比值反映了材料的脆性，如果比值越大，脆性越大；相反比值越小，脆性将越小（见表5）。在脆性水泥混凝土中，掺有MK的混凝土的脆性是逐渐降低的。综合考虑抗压、抗拉和抗折强度，M10组有较好的表现。
3.2 混凝土的自收缩。
（1）在高性能水泥混凝土中，龄期和自收缩值之间具有不同的关系，如图2～图5显示。图2和图3分别显示了MK水泥混凝土在两个时期自收缩的趋势。
（2）图2表明，在早期收缩中，MK发挥了良好的作用。在开始的24h，自收缩值随着MK的增加而下降。与标准混凝土试件收缩值相比，掺有不同百分比的MK的水泥混凝土，掺量从5%，10%和15%，自收缩值分别减少了17%，42%和65% 。在此期间，自收缩值的减少与MK的掺量有关，在早期阶段MK可以推迟水泥水化，而且掺入MK越多，推迟影响越明显。随着掺入MK的增加，自收缩值逐渐下降。图3表明，从24h到14d掺加了MK的水泥混凝土试件的自收缩值显著降低，这可能是由于以下原因：掺入偏高岭土的混凝土具有较好的多孔结构，这些多孔结构有利于外部水气的进入，大大的改善了微孔结构中混凝土内部水的缺失，这样可以加速水泥水化，早期强度较高地、较快地发展，在这种条件下可以减缓混凝土的自收缩，从而降低其收缩能力。掺入MK的混凝土自收缩能力随着掺入MK的增加而下降，这可能是因为增加了MK的比例，AS2/CH的比值在增大，从而使无水硅酸铝（AS2）和Ca（OH）2生成水化钙铝黄长石（C2ASH8），使水化钙铝黄长石（C2ASH8）增多，而使水化铝酸四钙（C4AH13）减少，而水化钙铝黄长石（C2ASH8）是一种复相多孔结构，这也就是MK混凝土中为何有较多的多孔结构的原因了。
（3）图3和图4显示的变化可知，通过对MK水泥混凝土56d的试验中，在最初的几天内抑制自收缩变化比较明显，而在
后期，对混凝土的自收缩的抑制均不明显。但对于56d总的自收缩，都是不高于对比的混凝土试件。对比的混凝土收缩率分别为5% ，10%和15% ，而掺入MK的混凝土随着MK掺量的不同分别减少了2% ，13%和33%。
（4）图5显示了24h后到56d总的收缩值，总收缩值包括在24h自收缩值和环境干缩所造成的干燥收缩值。MK对混凝土总的收缩值的影响是很明显的：它的减少与MK的增加相关。一般水泥混凝土的收缩率为5% ，10%和15% ，而MK水泥混凝土减少了11% ，20%和29% 。通过图3和图5的比较 ，明确得出，掺有MK的混凝土在24h之外其总的收缩主要是由于除了自收缩以外的其它收缩，比如干燥收缩、碳化收缩和化学收缩。表6也同样表明，从混凝土浇筑到24h内，MK对抑制混凝土自收缩的效果是显著的。这与在MK对混凝土改善的微孔结构中混凝土内部水的损失有关。
4. 结论
（1）MK可以很好的抑制高性能混凝土的早期收缩（24h之内），这种抑制作用随着MK的增加而增强。
（2）从24h到56d，添加了MK的混凝土，其自收缩值均低于那些对比试件，特别是含有15%MK的混凝土试件的自收缩值是最低的。
（3）从24小时到56天，添加了MK的混凝土，总收缩值是随着MK的增加而逐渐减少的，而且一直是低于对比组试件的总收缩值，这对混凝土耐久性是非常有帮助的。
[文章编号]1619-2737（2015）06-20-649
[作者简介] 薛鹏飞（1985.12-），男，毕业时间：2011年7月，毕业院校：天津城建大学，专业：材料科学与工程，职称：助理工程师，研究方向：外加剂对水泥及混凝土的性能影响，工作单位：天津市建筑科学研究院有限公司。