Influence of kaolinite content in coal-series metakaolin and soft metakaolin on the performance of cement blends with and without limestone
第一作者：张远岚
通讯作者：林忠财
其他作者：刘宇轩，李路帆
通讯单位：湖南大学土木工程学院
论文DOI：https://doi.org/10.1617/s11527-022-01960-6
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利用煅烧粘土和石灰石替代水泥，可有效降低水泥产业的碳排放。除了传统的软质粘土，煤矸石（煤矿产业的固体废弃物）也可替代水泥。本研究旨在对比不同高岭土含量（以纯度表示）的煤系偏高岭土（CMK）和软质偏高岭土（SMK）对掺加石灰石和不掺加石灰石水泥性能的影响。实验结果表明，相较CMK，SMK具有更高的火山灰活性，从而导致了SMK试样抗压强度的上升。但在添加了石灰石之后，CMK和SMK在高纯度条件下具有相似的28天强度，主要是由于CMK与石灰石反应更强烈，生成了更多的碳铝酸钙（Hc和Mc）。抗压强度在纯度为80%时达到峰值。该研究为煤矸石在水泥基材料中的应用提供了思路。
图文导读
- 实验配比
本研究以高岭土含量（以纯度表示）为变量，研究其对复合胶凝体系性能的影响，具体实验配比如表1所示。
表1 实验配比
- 抗压强度分析
图1反映了添加石灰石前后的不同偏高岭土纯度的水泥试块的抗压强度。由于SMK具有较强的火山灰活性，P-S组的强度普遍高于P-C组。掺加石灰石和未掺加石灰石的水泥砂浆的强度差异随养护龄期的增加而减小，说明后期掺加石灰石的水泥砂浆的强度增长更占优势。然而，在纯度为100%的情况下，28天没有观察到强度增加。一个可能的原因是由于火山灰反应的快速孔隙细化现象，缺乏有效的孔隙供水化产物生成。
Figure 1 Compressive strengths of blended cement mortar with different metakaolin purity levels at (a) 1, (b) 3, (c) 7, and (d) 28 days.
- 水化热和水化程度分析
Figure 2 Heat flow and heat release curves of cement blends.
- 热重分析
不同养护时间的碳酸钙含量如图3所示。总体而言，P-LC体系中参与反应的碳酸钙多于P-LS体系，说明煤系偏高岭土与石灰石结合能力较强，具有协同作用。石灰石在中性至中碱性条件下溶解更快。由于偏高岭土纯度较高的体系中消耗了较多的氢氧化钙，影响了石灰石的整体pH值和溶解。
Figure 3 Calcium carbonate content of P-LC and P-LS.
- 水化产物分析
Figure 4 XRD patterns of (a) P-C, (b) P-S, (c) P-LC and (d) P-LS at 28 days; XRD patterns of (e) P50-LC and (f) P50-LS with different curing times. Ettringite (Ett), hemi-carboaluminate (Hc), mono-carboaluminate (Mc), monosulfate (Ms), portlandite (CH), ferrite (F), quartz (Qz) and calcite (Cc).
如图5所示，P-LC中的Mc含量较P-LS更多。在同一偏高岭土纯度水平下，Hc+Mc的含量从20%增加到50%，这与碳酸钙含量的变化趋势一致。SMK较高的反应活性使其更倾向于参与C-S-H和钙矾石的生成，形成热力学上更不稳定的Hc(如图5(b)所示)。
Figure 5 (a) Mono-carboaluminate (Mc), hemi-carboaluminate (Hc) content and (b) carboaluminates (Hc+Mc), ettringite (Ett) content of blended system determined by the Rietveld method.
- 作者简介
张远岚，湖南大学土木工程学院，硕士，主要研究方向为偏高岭土基水泥材料，已在Construction and Building Materials等期刊发表SCI论文3篇。
邮箱：546144108@qq.com
