化學(xué)成分檢測(cè)助力機(jī)制砂混凝土性能提升

莊凱群，馬永勝，宋少民，劉瑞朝，郭宇軒，蔣澤宇

(1.北京建筑大學(xué)，建筑結(jié)構(gòu)與環(huán)境修復(fù)功能材料北京市重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100044； 2.北京砼享未來(lái)工程技術(shù)研究院，北京 100024)

機(jī)制砂是現(xiàn)代預(yù)拌混凝土的重要組成材料之一，不同巖性、不同種類(lèi)、不同特性、不同來(lái)源的機(jī)制砂對(duì)混凝土性能有著不同的影響。許多機(jī)制砂在級(jí)配、壓碎指標(biāo)、空隙率、石粉含量(MB值)滿足要求時(shí)，生產(chǎn)出的混凝土各方面性能仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用要求，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)觸變性差、流動(dòng)性差、經(jīng)時(shí)損失大、泌水、離析等問(wèn)題，從而影響施工質(zhì)量。宋少民等[1]發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)機(jī)制砂表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，質(zhì)量缺陷少，與硅質(zhì)機(jī)制砂相比，表現(xiàn)出了更好的需水行為和更低的吸附性。李崇智等[2]通過(guò)機(jī)制砂與外加劑的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)機(jī)制砂具有一定的憎水性且ζ電位低，分散性好，而硅質(zhì)機(jī)制砂具有一定的親水性且ζ電位高，所以分散性差。

張廣田等[3]通過(guò)對(duì)四種硅質(zhì)機(jī)制砂中石粉的研究，發(fā)現(xiàn)硅質(zhì)石粉對(duì)砂漿及混凝土的流動(dòng)性不利，加入合適的改性劑可改善此問(wèn)題。孫星海等[4]認(rèn)為，鈣質(zhì)機(jī)制砂的級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響不大，而硅質(zhì)機(jī)制砂的級(jí)配對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響較大。陳平等[5]、李科誠(chéng)等[6]發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)石粉的流動(dòng)度明顯高于硅質(zhì)石粉，張學(xué)鋒等[7]發(fā)現(xiàn)花崗巖石粉需水量比遠(yuǎn)高于石灰?guī)r、玄武巖石粉。李小龍等[8]研究了不同巖性機(jī)制砂與外加劑相容性的影響，其中花崗巖機(jī)制砂與減水劑的相容性較輝綠巖、石灰?guī)r差。宋德洲等[9]發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r機(jī)制砂母巖中的SiO2含量越高機(jī)制砂吸附性越弱。王軍偉等[10]發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂的層狀硅酸鹽礦物含量高、Zeta電位絕對(duì)值大，對(duì)減水劑吸附性能強(qiáng)。以上研究表明，不同質(zhì)地的機(jī)制砂與外加劑作用也不盡相同，從而造成混凝土工作性和其他性能的差異。

目前，國(guó)內(nèi)外檢測(cè)機(jī)制砂與外加劑相容性、吸附性的方法主要有三種：(1)檢驗(yàn)MB值是否高于1.4，確定機(jī)制砂中75 μm以下顆粒是以泥為主還是以石粉為主，從而判斷其對(duì)外加劑吸附性的影響。這種方法只能檢測(cè)出機(jī)制砂中黏土對(duì)外加劑的影響，而檢測(cè)不出機(jī)制砂母巖性能對(duì)外加劑的影響。(2)通過(guò)XRD分析機(jī)制砂母巖種類(lèi)來(lái)判斷其對(duì)外加劑吸附性、相容性的影響。這種試驗(yàn)設(shè)備昂貴，且對(duì)檢測(cè)人員的門(mén)檻要求較高，無(wú)法大范圍推廣。(3)通過(guò)混凝土試拌試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)制砂對(duì)外加劑的影響，這種方法與生產(chǎn)混凝土相關(guān)性好，但試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)法快速檢測(cè)，往往檢驗(yàn)出結(jié)果時(shí)，機(jī)制砂已經(jīng)使用完畢。

作者在工程實(shí)踐中通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：根據(jù)機(jī)制砂中氧化物成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，可以將其區(qū)分為高鈣含量機(jī)制砂、高硅含量機(jī)制砂、高鋁含量機(jī)制砂和高鐵含量機(jī)制砂。其中：高鈣含量機(jī)制砂為化學(xué)組分中CaO含量占比最高的機(jī)制砂；高硅含量機(jī)制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超過(guò)15%，F(xiàn)e2O3含量不超過(guò)10%的機(jī)制砂；高鋁含量機(jī)制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量超過(guò)15%，F(xiàn)e2O3含量不超過(guò)10%的機(jī)制砂；高鐵含量機(jī)制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超過(guò)15%，F(xiàn)e2O3含量超過(guò)10%的機(jī)制砂。成分的不同決定其特性的不同，依據(jù)其不同特性調(diào)整相應(yīng)的混凝土泵送劑組分，優(yōu)化混凝土配合比，提升混凝土綜合性能，得到滿足工程使用要求的混凝土。

試驗(yàn)選取的A、B、C、D四種機(jī)制砂分別來(lái)自山東省濰坊市陸海港砂廠、吉林省四平市西風(fēng)砂廠、山東省煙臺(tái)市黑羊山砂廠、吉林省長(zhǎng)春市恒泰砂廠，其物理性能檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1，其顆粒級(jí)配見(jiàn)表2。

表1 機(jī)制砂物理性能檢測(cè)參數(shù)Table 1 Physical performance testing parameters of artificial sand

表2 機(jī)制砂顆粒級(jí)配Table 2 Particle grading of artificial sand

按照GB/T 176—2017《水泥化學(xué)分析方法》中的氯化銨重量法、氟硅酸鉀法等方法，對(duì)機(jī)制砂化學(xué)成分進(jìn)行分析，四種機(jī)制砂化學(xué)成分中主要氧化物檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3數(shù)據(jù)可知，A為高鈣含量機(jī)制砂，B為高硅含量機(jī)制砂，C為高鋁含量機(jī)制砂，D為高鐵含量機(jī)制砂?；炷僚浜媳仍囼?yàn)依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度等級(jí)以C30為例，配合比設(shè)計(jì)考慮四種不同機(jī)制砂。為進(jìn)行性能優(yōu)化，需要根據(jù)不同機(jī)制砂特點(diǎn)調(diào)整外加劑成分及其比例，即泵送劑組成需要優(yōu)化。

其中基準(zhǔn)混凝土配合比采用基準(zhǔn)泵送劑，即I型減水劑為主要減水組分，輔以葡萄糖酸鈉為功能型輔助組分復(fù)配而成，該泵送劑組分配伍是混凝土中最常見(jiàn)的一種形式，作為基準(zhǔn)混凝土專(zhuān)用泵送劑與優(yōu)化后的其他四種混凝土泵送劑進(jìn)行性能比較。

比對(duì)混凝土配合比依據(jù)四種機(jī)制砂各自特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，包括設(shè)計(jì)與機(jī)制砂種類(lèi)相適應(yīng)的基準(zhǔn)混凝土配合比，以及選取相應(yīng)的外加劑并確定添加比例。高鈣含量機(jī)制砂A表面能低，需水行為更好，對(duì)外加劑吸附性更低，所以泵送劑A選用具有保水功能的麥芽糊精、海藻酸鈉替換掉葡萄糖酸鈉以改善混凝土的保水性、抗離析性；高硅含量機(jī)制砂B有一定的親水性及對(duì)外加劑的吸附性，所以泵送劑B中加入了二甲基二烯丙基氯化銨、硫代硫酸鈉以降低機(jī)制砂對(duì)外加劑的吸附性，改善混凝土的觸變性；機(jī)制砂C鋁含量高，對(duì)外加劑吸附性大，與外加劑相容性差，所以泵送劑C選用保坍性能更好的II型(緩釋型)減水劑，并加入改性檸檬酸鈉以改善機(jī)制砂C層狀結(jié)構(gòu)的表面性能，降低負(fù)電荷，減少機(jī)制砂C對(duì)外加劑的吸附性。機(jī)制砂D鐵含量高，對(duì)混凝土的坍落度損失影響大，所以泵送劑D加入了羥基乙叉二膦酸、焦磷酸鈉以減少混凝土的坍落度損失。

表3 機(jī)制砂的化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of artifical sand

基準(zhǔn)泵送劑和針對(duì)不同機(jī)制砂優(yōu)化后的泵送劑的組成(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表4，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表4 混凝土泵送劑的組成Table 4 Composition of concrete pumping agents

表5 混凝土泵送劑性能指標(biāo)Table 5 Performance index of concrete pumping agent

按照表6中基準(zhǔn)混凝土和比對(duì)混凝土配合比進(jìn)行配合比試驗(yàn)，其中，S-01、S-03、S-05、S-07為與四種機(jī)制砂相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)混凝土配合比，S-02、S-04、S-06、S-08為針對(duì)四種機(jī)制砂進(jìn)行泵送劑組成優(yōu)化后的混凝土配合比。

依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)混凝土拌合物進(jìn)行工作性、28 d立方體抗壓強(qiáng)度、電通量、收縮率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

由圖1可見(jiàn)：與S-01相比，S-02的倒置坍落度筒排空時(shí)間和泌水率均顯著降低，表明使用泵送劑A解決了高鈣含量機(jī)制砂對(duì)外加劑摻量敏感的問(wèn)題；S-04混凝土坍落度、擴(kuò)展度明顯優(yōu)于S-03，表明泵送劑B解決了高硅含量機(jī)制砂吸附性大、黏度大的問(wèn)題；S-06混凝土坍落度、擴(kuò)展度遠(yuǎn)大于S-05，且相應(yīng)的坍落度損失、擴(kuò)展度損失要更小，表明泵送劑C解決了高鋁含量機(jī)制砂吸附性大、與外加劑相容性差的問(wèn)題；對(duì)于高鐵含量機(jī)制砂混凝土，優(yōu)化后的S-08坍落度損失和擴(kuò)展度損失遠(yuǎn)小于S-07，表明泵送劑D有效改善了該類(lèi)混凝土坍落度、擴(kuò)展度損失大的問(wèn)題。此外，28 d立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，S-02、S-04、S-06、S-08四組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均高于S-01、S-03、S-05、S-07的混凝土強(qiáng)度。

表6 混凝土試驗(yàn)配合比Table 6 Mix ratio of concrete /(kg·m-3)

圖1 混凝土拌合物性能Fig.1 Performance of concrete mixture

圖2 混凝土28 d收縮率與電通量Fig.2 Shrinkage rate and coulomb electric flux of concrete in 28 d

由圖2可以看出，外加劑組分調(diào)整后的混凝土(即比對(duì)混凝土)28 d收縮率及28 d電通量均小于基準(zhǔn)混凝土，表明混凝土的耐久性得到了進(jìn)一步提升。另外，通過(guò)對(duì)四組混凝土的成本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)依據(jù)機(jī)制砂的特性來(lái)調(diào)整混凝土外加劑的組分可有效降低混凝土綜合成本，提高混凝土的經(jīng)濟(jì)性。

綜上，新常態(tài)下機(jī)制砂性能多變，通過(guò)化學(xué)成分分析，可以將其快速分類(lèi)為高鈣含量機(jī)制砂、高硅含量機(jī)制砂、高鋁含量機(jī)制砂、高鐵含量機(jī)制砂四類(lèi)，根據(jù)不同機(jī)制砂的特性調(diào)整混凝土外加劑組分、優(yōu)化混凝土配合比，能有效改善不同種類(lèi)機(jī)制砂混凝土性能的不足，快速有效調(diào)整混凝土工作性能，對(duì)預(yù)拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量控制起到一定支撐及指導(dǎo)意義。