煅烧高岭土作为水泥替代材料及其在高强混凝土中的应用外文翻译资料

 2022-01-06 09:01

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建筑和建筑材料

煅烧高岭土作为水泥替代材料及其在高强混凝土中的应用

重点：

通过煅烧马来西亚高岭土产生高活性偏高岭土。

煅烧的最佳条件是800°C（1472°F）和3小时的煅烧时间。

基于抗压强度生产的偏高岭土的最佳掺量是15%。

偏高岭土混凝土的机械性能优于硅灰。

偏高岭土的成本比市场上可买到的的硅灰少约33％。

摘要：进行这项实验研究是来检验温度和持续时间对马来西亚高岭土形成高活性偏高岭土的影响。高岭土通过在600-800℃（1112-1472°F）的温度下煅烧1至5小时转变为偏高岭土。X射线衍射和烧失量是确定煅烧所需的最佳温度和持续时间的常用方法。在本研究中，为了证实偏高岭土的活性，使用本地生产的偏高岭土作为水泥替代材料，研究了在7天，28天，56天和90天时混凝土的抗压强度、劈裂拉伸和弯曲强度。发现本地出产的偏高岭土增强了混凝土的机械性能，并且抗压强度比28天龄的硅灰混凝土高约5％。该研究表明，在800°C（1472°F）下煅烧3小时是将高岭土转化为高活性偏高岭土的最佳条件。

  1. 介绍

高岭土是由长石自然分解产生的广泛存在的白土，主要用于制造瓷器，纸张中的填料，纺织品和药品中的吸收剂。在马来西亚，霹雳州，柔佛州，吉兰丹州，雪兰莪州，彭亨州和沙捞越州已发现大约1120万公吨（2520万磅）的高岭土储量。2007年高岭土产量为5，87，508公吨（13，20，836磅），比2006年30多个活性高岭土矿产量高72％。当纯的或精制的高岭土被加热到600到850°C（1112-1562°F）之间的温度时，形成偏高岭土。偏高岭土是一种高活性的火山灰，尽管如此，它的物理和化学特性在很大程度上取决于所用的原料高岭土材料，煅烧和精加工过程中的温度（煅烧后快速冷却）。偏高岭土在混凝土中的大规模使用最早可以追溯到20世纪60年代；然而，混合方法、混合比例和偏高岭土的质量等变化推迟了偏高岭土作为矿物掺合料的检测，直到1990年。几位研究员报道说，在混凝土中添加偏高岭土没有任何缺点。1991年，Larbi和Bijen证明偏高岭土完全消除了水泥基质中的氢氧化钙（Ca（OH）2）或氢氧钙石。虽然，偏高岭土降低了混凝土中的氢氧钙石水平，但混凝土的pH仍然稳定在12.5以上。大约二十年前，马丁和Wild等人对偏高岭土混凝土进行了研究。马丁报道说，偏高岭土在混凝土中的存在使抗压强度提高到110MPa（16ksi），但需要使用高效减水剂来弥补更高的用水需求。而Wild等人观察到，考虑到粘合剂的质量，偏高岭土替代普通混凝土的最佳掺量为20％（重量），高效减水剂用量为2.4％。与硅灰相比，偏高岭土需要更少剂量的高效减水剂，并能提高机械性能和混凝土的耐久性。最近，Duan等人提出，与硅灰和矿渣混凝土相比，偏高岭土的使用对后期混凝土的孔隙结构和界面过渡区（ITZ）的增强具有积极影响。

在文献中，有关于世界不同地区高岭土煅烧的最佳温度和持续时间的几项研究。2003年，Shvarzman等人研究了脱羟基度对高岭石火山灰活性的影响。观察到在570-570℃（842-1058°F）温度下95％的脱羟基作用发生，并且在570到700℃（1058-1292°F）之间观察到脱羟基化的适度增加。高岭石的活性强度指数（即20％外加剂与100％水泥砂浆的立方体抗压强度之比）取决于脱羟基度和非晶相；然而，高达55％的非晶相含量足以使高岭石材料被认为是活性火山灰。2009年，Bich等人研究了火山灰活性与脱羟基度之间的关系。他们将原始高岭土材料在650到850°C（1202-1562°F）之间煅烧1/2，3/4，1，5和15小时。他们报道了最高火山灰活性的实现，脱羟基度超过95％。此外，较长的煅烧时间（5或15小时）降低了火山灰活性。2005年，Badogiannis等人研究了希腊高岭土，并确定在650°C（1202°F）和850°C（1562°F）下煅烧足以将低明矾石含量的高岭土和高明矾石含量的高岭土分别转化为偏高岭土。高明矾石含量的高岭土的微商热重分析（DTG）曲线显示在700到900°C（1292-1652°F）之间有三个质量损失阶段。2012年，Guuml;neyisi等人在调查了土耳其西部地区四种高岭土矿床的最佳温度和煅烧持续时间后，报告了类似的结果。据报道，高明矾石含量的高岭土需要在850°C（1562°F）下热处理3小时，并且在差热分析（DTA）曲线的中580°C（1076°F）和780°C处有双重吸热峰（1436°F）。

由于高岭土是天然存在的粘土，因此其化学和矿物组合物高度依赖于母岩、高岭土形成的气候条件和清洁杂质的过程。霹雳州和沙捞越州的高岭土来源以高岭石为主，由花岗岩和闪长岩的风化形成。高岭石中的主要物质是来自于母岩中的高长石矿物，高长石矿物导致高岭土中的氧化铝较多。因此，来自马来西亚霹雳州和沙捞越州的高岭土具有更多转化为高活性偏高岭土的潜力。表格1通过对高岭土粉末X射线衍射（XRD）图谱的半定量相分析，估算出霹雳州高岭土的矿物组成。马来西亚高岭土中高岭石、明矾石和石英的含量与先前提到的研究中的含量有所不同，并且观察到马来西亚高岭土的明矾石含量不是很高（参考表格1）。如Badogiannis和Guuml;neyisi等人所述，明矾石含量表明，在650°C（1202°F）下煅烧3小时可能适合马来西亚高岭土。此外，基于脱羟基温度对粒径的依赖性，可以推断马来西亚高岭土需要较低的煅烧温度。马来西亚高岭土的粒径为2.5-4.5mu;m（0.00009-0.00018in.），相比于之前研究的高岭土相对较小，表明脱羟基需要低温。较小的粒径对于在晶体内部排除更多OH-基团以及结合的OH-基团表面和颗粒边缘的弱化所需的能量也是有利的。进一步观察到马来西亚高岭土中存在地开石含量，一种高岭石的多晶型物，这在前面的研究报道中没有提到。地开石的脱羟基作用与高岭石有较大差异。在450-600℃（842-1112°F）形成偏高岭土期间，高岭石八面体氧化铝片的内表面H原子同时损失；然而在地开石中，外部H原子首先被去除。因此，当高岭石和地开石同时煅烧时，地开石中的外部H原子由于其早期逃逸而干扰高岭石形成过程中内部H原子从地开石的逃逸，因此与基于明矾石含量的温度相比，这需要进一步的热处理来抽出内部H原子。这也通过图1的差示热重（DTG）分析得到证实。尽管马来西亚高岭土中的明矾含量较少，但在600至800°C（1112-1472°F）之间存在相当多的峰，如图1所示。此外，TG曲线表明完全脱羟基几乎发生在600至800°C（1112-1472°F）之间。此后，由于DTG-TGA分析提出的独特的矿物组成、粒度、相变和脱羟基温度，需要研究马来西亚高岭土的煅烧。本研究也与发展本地偏高岭土有关联，本地偏高岭土具有高活性和成本效益。

在马来西亚，已经进行了有限的尝试来研究高岭土的煅烧及其作为火山灰的用途。2006年，Huat用750°C（1382°F）热处理来自霹雳州的高岭土，并用10%的掺量代替水泥。并且结果表明处理后的偏高岭土在抗压强度方面表现出良好的一致性。研究的局限性在于只研究了高达40MPa（5800psi）的普通强度混凝土。对于较高程度的脱羟基作用或较高的火山灰活性，煅烧的温度和持续时间未被优化。已经确定抗压强度是间接确认火山灰活性的方法，因为抗压强度还取决于若干其他因素，包括含水量、骨料选择和级配以及水泥质量和混合程序。因此，需要利用Chapelle测试、X射线衍射（XRD）图谱以及抗压强度来确认偏高岭土的火山灰活性和非晶相。XRD图谱包含有关晶体内原子排列的信息。像无定形SiO2这样的无定形材料不具有长程有序的周期性阵列，因此它们不会产生衍射图案。无定形SiO2不具有长程原子次序，因此仅产生宽的散射峰。因此，研究高岭土的煅烧以获得更高程度的脱羟基作用或更高的火山灰活性十分重要。

本研究的重点是通过煅烧马来西亚霹雳州的高岭土，开发高活性偏高岭土作为水泥替代材料。通过DTG-TGA分析和技术文献选择温度和煅烧时间范围，研究不同温度和煅烧持续时间对结果的影响。主要目标是获得最高的抗压强度增益，以确定马来西亚高岭土能否作为高强混凝土（HSC）中的水泥替代材料。此外，火山灰活性是通过Chapelle测试确定的。还确定了XRD图谱，X射线荧光（XRF）和Brunauer-Emmet-Teller（BET）比表面积也确定了正确的煅烧温度和持续时间。本文还提出并讨论了对抗压强度、分裂拉伸强度、弯曲强度和场发射扫描电子显微镜（FESEM）微观结构的结果的分析。

  1. 实验调查

高岭土的差热重分析（DTG）曲线如图1所示。曲线表明从高岭土到偏高岭土的转化发生在405-650°C（7610-1202°F）；然而，TG曲线的最大质量损失在600-800℃之间（1112-1472°F）。这些结果推断，由于存在不同的高岭石相和明矾石的存在，脱羟基作用发生的阶段不止一个，因此研究高岭土在600-800°C（1112-1472°F）温度下的煅烧具有重要意义。煅烧的持续时间为1至5小时被认为是文献中报道的。实验项目分为三个阶段，如图2所示。在第一阶段，马来西亚高岭土在600，700和800°C（1112，1292和1472°F）下进行了1，2，3，4和5小时的热处理，然后使用布鲁克D8先进设备进行XRD图谱测定。通过改变温度（600-800°C（1112-1472°F））和马来西亚高岭土煅烧持续时间（1-5小时）研究了15种组合，如图表2所示，来确定合适的条件（即适当的温度和煅烧的持续时间）。

基于XRD图谱，确定了最佳温度和煅烧持续时间，并确定了煅烧高岭土的X射线荧光（XRF）和Brunauer-Emmet-Teller（BET）比表面积，来与原始高岭土和硅灰进行比较。BET比表面积由测微表面分析电镜在标准氮气系统下完成测定。而煅烧高岭土、原材料高岭土、硅灰的微观结构则通过场发射扫描电镜（FESEM）观察。硅灰是众所周知的并且是公认的高活性矿物掺合料，并且由于其高活性，它被选择用于这次的对比实验。

在第二阶段，通过用热处理的马来西亚高岭土（K-10）代替10％水泥来测定立方体抗压强度。观察在7，28，56和90天龄时立方体的抗压强度，并与对照混合物（C-0）100％普通波特兰水泥（OPC）和10％硅灰（S-10）作水泥替代材料进行比较。新混凝土的混合和取样经过调整，符合BS1881：第125部分的要求。在7，28，56和90天时对立方体试样进行了抗压强度试验（BS1881：第108部分）。根据第一和第二阶段的结果，确定了马来西亚高岭土的煅烧温度和持续时间。除此之外，通过Chapelle试验测试煅烧高岭土的火山灰活性，以确认立方体抗压强度的结果。Chapelle测试方法和标准改编自法国标准NFP18-513，附录A。

在第三阶段，将5％，10％，15％和20％的煅烧高岭土（K-5，K-10，K-15和K-20）作为水泥替代材料加入混凝土中以确定抗压强度、劈裂抗拉强度和混凝土的抗弯强度，以找到最佳的水泥替代掺量。在混凝土混合物中替代水泥的硅灰也被用来作煅烧高岭土的有效性的对比参照。调整混合和固化程序，以满足BS1881：第125部分的要求。在该阶段测定含5％，15％和20％煅烧高岭土的抗压强度（BS1881：Part108）。在7，28，56和90天龄时，在圆柱和梁试样上进行分裂拉伸（根据BS1881：第110部分）和弯曲强度试验（根据BS1881：第118部分）。在四点弯曲条件下进行梁的测试。

    1. 原材料

本研究中使用的材料是普通硅酸盐水泥（OPC）、马来西亚高岭土、硅粉、细骨料、粗骨料、水和第三代高效减水剂。马来西亚高岭土，即KM40，是从高岭土（马来西亚）霹雳州Tapah有限公司收购的。KM40在化学上称为水合硅酸铝的高岭土，并且在结构上是未改性的。市售的Elkem微硅（硅灰）等级955用于比较煅烧高岭土的有效性。供应商提供的OPC、高岭土和硅灰的物理和化学成分见表3。

高岭土和硅粉中SiO2、Al2O3和Fe2O3的最小量符合ASTMC618要求（参见表2）。通过5毫米（3/16英寸）筛并将＃200筛上的河砂用作混凝土混合物中的细骨料。将通过20mm（3/4英寸）筛和通过10mm（3/8英寸）筛的碎花岗岩用作粗骨料。将粗骨料洗涤并在露天干燥24小时，使混凝土中的水含量保持在控制范围内。该实验中使用普通自来水。第三代高效减水剂符合ASTMC494-86G型和BS5075要求：第3部分高效减水剂。混合物中具体每种成分的含量见表4。

    1. 样品

将15个高岭土样品煅烧以研究600-800℃（1112-1472°F））温度和1-5小时的持续时间对煅烧高岭土形态的影响。在第二阶段，使用10％含量的煅烧高岭土作为水泥替代物制备三个尺寸为100times;100times;100mm（4times;4times;4英寸）的立方体。测定立方体试样的抗压强度以研究15种高岭土样品中每一种的反应性。然后进行Chapelle测试以验证立方体抗压强度和火山灰活性的结果。第三阶段制作三个100x100x500mm（4x4x20in。）横梁和三个150mm（6in。）直径和150mm（6in。）高度的横梁，以检测5％，10％，15％和20％掺量煅烧高岭土的混凝土的劈裂抗拉强度。另外，制备三个100times;100times;100mm（4times;4times;4英寸）的立方体，以研究用5％，15％和20％的煅烧高岭土对混凝土的抗压强度的影响。

  1. 实验结果和分析

3.1 第一阶段-确定合适的煅烧条件（温度和持续时间）

图3表示在600℃（1112°F）下原生高岭土和煅烧高岭土的XRD图谱。Bobos等人在高岭土的XRD图谱中确定了两个重要的区域。这些区域的放大图像显示在详细信息#39;X#39;和#39;Y#39;中图3。细节#39;X#39;中的反射显示在2°、20°和22°（0.349-0.384弧度）之间有三个峰。这些峰值随着2theta;的增

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资料编号：[2043]

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