砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸外加劑混凝土質(zhì)量的影響

田艷鵬 李曉峰

(1.晉城市建筑質(zhì)量監(jiān)督站，山西晉城 048000;2.山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

1 概述

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，國(guó)家基本建設(shè)的加強(qiáng)，預(yù)拌混凝土企業(yè)也經(jīng)歷了一個(gè)蓬勃發(fā)展的過(guò)程，就作者所在山西省來(lái)說(shuō)，位處華北平原，作為中西部連接的重要省份，無(wú)論是從地理位置來(lái)講，還是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展空間戰(zhàn)略部署上來(lái)講，山西的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)整體發(fā)展的重要組成部分。山西省內(nèi)的預(yù)拌混凝土企業(yè)由1998年的35家企業(yè)發(fā)展到400余家，混凝土生產(chǎn)量由1998年的1 400萬(wàn)m3增加到約1.3億m3。隨著自然生態(tài)的破壞治理，環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，混凝土拌合用天然砂資源的枯竭，預(yù)拌混凝土質(zhì)量已深深的影響到居民的建筑工程質(zhì)量，與老百姓的生活緊密聯(lián)系起來(lái)。沿海城市海砂非淡化處理、內(nèi)陸城市天然砂含泥量造成的建筑質(zhì)量事故也逐漸出現(xiàn)在各大視頻媒體的報(bào)道里，做好混凝土質(zhì)量，避免質(zhì)量事故已刻不容緩。

眾所周知，混凝土組成的化學(xué)反應(yīng)是非常復(fù)雜的，除去正常的硅酸鹽水化反應(yīng)外，礦粉、粉煤灰的添加也使混凝土的研究增加了很多亮點(diǎn)，但令很多混凝土學(xué)者頭疼的事情是，由于混凝土砂石原材料帶入的粘土導(dǎo)致混凝土初始流動(dòng)性降低、收縮裂縫增加、耐久性降低等質(zhì)量問(wèn)題層出不窮，控制難度也較大，本文就砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽外加劑的混凝土質(zhì)量的影響展開(kāi)論述。

2 粘土

1)基本概念。

砂石含泥量中所含的泥就是粘土，粘土是一種地球億萬(wàn)年來(lái)自然進(jìn)化、天然存在、由各種礦物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、微生物共同組成的復(fù)合多層結(jié)構(gòu)物質(zhì)。主要成分為硅鋁酸鹽結(jié)晶水合物，即層狀硅酸鹽礦物，為非水硬性膠凝材料，其可以通過(guò)干燥或烘烤而硬化。大多數(shù)粘土都是由各種斑狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的薄片型結(jié)構(gòu)，而每一個(gè)板狀結(jié)構(gòu)又由許多個(gè)單元層組成［1］。決定粘土性能的主要因素是其結(jié)構(gòu)，一般鋁氧八面體和硅氧四面體組成單元層，相互之間重疊交錯(cuò)，復(fù)雜排布，硅氧四面體與鋁氧八面體由Si—OH和Al—OH縮合成Si—O—Al橋鍵。鋁氧八面體:硅氧四面體可主要分為1∶1和2∶1，自然界中高嶺土為1∶1的層結(jié)構(gòu)，層間有較強(qiáng)的氫鍵，可置換型較小，無(wú)膨脹，有序晶體，表面吸附陽(yáng)離子少;膨潤(rùn)土為2∶1的層結(jié)構(gòu)，層間的鍵能較小，層內(nèi)可以進(jìn)行水化和金屬離子交換，晶格具有膨脹性，為最常見(jiàn)的粘土類(lèi)型，無(wú)論是天然砂還是機(jī)制砂中的泥主要是由高嶺石和膨潤(rùn)石組成。

2)粘土對(duì)聚羧酸鹽外加劑的吸附機(jī)理。

各類(lèi)型的粘土都會(huì)吸收水分，吸收水分后粘土晶格膨脹水化，水化進(jìn)行到一定程度，粘土層間吸收水分發(fā)生滲透膨脹，吸附層間水增到3 nm左右，促使擴(kuò)散雙電層的形成，同時(shí)可能發(fā)生層間陽(yáng)離子的轉(zhuǎn)化置換。在pH＞12的水泥漿溶液中，粘土將吸附陽(yáng)離子于其表面上或晶體邊緣上，不同陽(yáng)離子其離子交換能力不同，其次序一般為H+＞Ba2+＞SR2+＞Cs+＞Rb+＞K+＞NaLi+，一般情況膨潤(rùn)土80%為表面吸附，高嶺土為100%的晶體邊緣吸附。

聚羧酸鹽系減水劑是一種高性能減水劑，它的出現(xiàn)和我國(guó)高鐵混凝土的高耐久性、高減水率、低堿含量的要求密不可分，2006年我國(guó)國(guó)產(chǎn)聚羧酸鹽減水劑才開(kāi)始逐漸使用。它是水泥混凝土運(yùn)用中的一種水泥分散劑，化學(xué)上可以分為兩類(lèi)，以主鏈為甲基丙烯酸，側(cè)鏈為羧酸基團(tuán)和MPEG(Methoxy Polyethylene Glycol)的聚酯型結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)酯類(lèi)羧酸。另外一種以主鏈為聚丙烯酸，側(cè)鏈為Vinyl Alcohol Polyethylene Glycol的聚醚型結(jié)構(gòu)，酯類(lèi)羧酸。就目前來(lái)講，我國(guó)主要使用醚類(lèi)羧酸減水劑，特別是在近三年來(lái)，醚類(lèi)羧酸已廣泛應(yīng)用于民用預(yù)拌混凝土中，其與砂、石中粘土的敏感性也成了值得探討的問(wèn)題之一。

粘土對(duì)聚羧酸鹽外加劑的吸附機(jī)理:第一類(lèi)，聚羧酸鹽減水劑嵌入粘土內(nèi)層區(qū)域;第二類(lèi)，粘土遇到水泥顆?；蚓埕人猁}減水劑形成水化、膨脹水化膜，造成水泥顆粒不能吸附外加劑，導(dǎo)致分散性降低;第三類(lèi)，當(dāng)粘土遇到羧酸減水劑時(shí)，粘土的負(fù)面效應(yīng)增加，粘土表面對(duì)羧酸的大量吸附，產(chǎn)生水泥顆粒與粘土表面爭(zhēng)奪羧酸減水劑的吸附，粘土的吸附能力大于水泥顆粒的吸附能力，從而導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性差。三種機(jī)理中，第三類(lèi)普遍認(rèn)為是切實(shí)存在的機(jī)理，第一類(lèi)機(jī)理在高溫情況下可以發(fā)生，第二類(lèi)機(jī)理通過(guò)KCl溶液的加入證明影響不明顯。通過(guò)第三類(lèi)機(jī)理的實(shí)際混凝土應(yīng)用分析發(fā)現(xiàn):粘土對(duì)羧酸鹽減水劑的吸附量是非常大的，其吸附量隨著粘土百分?jǐn)?shù)的增加呈直線(xiàn)增大，最大吸附量穩(wěn)定于聚羧酸鹽減水劑總量的80%。砂石3%的含泥量開(kāi)始對(duì)聚羧酸影響明顯起來(lái)，當(dāng)達(dá)到7%的含泥量時(shí)，羧酸減水劑30%的貢獻(xiàn)值全部由粘土吸附，極大地影響混凝土流動(dòng)度。

3 砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽外加劑混凝土質(zhì)量的影響

1)砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽外加劑混凝土工作性的影響。

為切實(shí)反映出砂石不同含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽外加劑混凝土工作性的影響，現(xiàn)以C30混凝土為例，進(jìn)行混凝土拌合物工作性能測(cè)試。

水泥:山西雙良鼎新水泥有限公司產(chǎn)P.O42.5級(jí)水泥，比表面積 389，SO3含量為 2.1%，3 d 抗壓強(qiáng)度 25.8 MPa。

礦粉:山西中科產(chǎn)S95級(jí)礦粉，比表面積420。

粉煤灰:太原二電廠(chǎng)級(jí)粉煤灰，細(xì)度3%。

砂:忻州豆羅水洗砂，含泥量1.5%，細(xì)度模數(shù)2.6，再次沖洗至含泥量為0.1%，曬干備用。

碎石:陽(yáng)曲縣石灰石碎石，顆粒級(jí)配2 mm～25 mm，連續(xù)粒級(jí)。

外加劑:山西和盛邦混凝土建材有限公司產(chǎn)HS-109聚羧酸鹽減水劑，固含量40%，將其加入適量保坍劑，稀釋為固含量為8.0%的泵送劑，摻量2%。

水:飲用水。

粘土:張家口恒泰膨潤(rùn)土有限公司產(chǎn)化工填料膨潤(rùn)土，細(xì)度200目，SiO2含量54%，Al2O3含量18%。

C30基準(zhǔn)配合比如表1所示。

表1 測(cè)試用C30混凝土配合比 kg/m3

將粘土按1%～9%替代水洗砂摻入混凝土中，通過(guò)調(diào)整外加劑摻量使混凝土坍落度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，通過(guò)查看混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性、保水性的變化，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 混凝土拌合物性能

由表2可知，隨著含泥量的增加，混凝土拌合物的和易性越來(lái)越差，容重越來(lái)越小，外加劑的摻量越來(lái)越大，在含泥量超過(guò)3%后發(fā)生明顯變化，7%后混凝土發(fā)生了質(zhì)的變化，整體混凝土發(fā)虛，外加劑的摻量的提高也改變不了混凝土的流動(dòng)性，混凝土變?yōu)樘摶摇⑺阑?，不具有工作性和可泵性?/p>

2)砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽外加劑混凝土強(qiáng)度及耐久性的影響。

砂石中所含粘土因其多孔、吸水、吸附外加劑，從而影響了混凝土的拌合及工作性，如果不考慮混凝土的質(zhì)量，將含泥量大于3%的砂石用于混凝土?xí)r，會(huì)出現(xiàn)用水量增加、外加劑用量增加、混凝土容重降低，如果含泥量大于7%時(shí)，混凝土的力學(xué)性能及耐久性發(fā)生了根本性的變化。

由表2可知，隨著含泥量的增加，外加劑摻入量增加，混凝土強(qiáng)度反而降低，含泥量超過(guò)4%時(shí)，28 d強(qiáng)度已降至30 MPa以下，混凝土表面出現(xiàn)大量氣孔，混凝土的密實(shí)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低，帶來(lái)的結(jié)果就是混凝土的耐久性大幅降低，混凝土不能滿(mǎn)足使用功能要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽減水劑的混凝土拌合物影響較為敏感。

2)砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸鹽減水劑的混凝土強(qiáng)度及耐久性影響較大。

3)實(shí)際混凝土生產(chǎn)需要把砂石含泥量控制在3%以?xún)?nèi)，以降低影響。

4)砂石含泥量大于7%時(shí)，需要更換砂石原材料，以免出現(xiàn)質(zhì)量事故。

5)各聚羧酸生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)在生產(chǎn)聚羧酸減水劑時(shí)，通過(guò)調(diào)整主鏈及支鏈的結(jié)果，降低聚羧酸減水劑對(duì)砂石含泥量的敏感度。

［1］李 琪，李曉峰.摻聚羧酸鹽系外加劑的C45泵送混凝土問(wèn)題探討［J］.山西建筑，2012，38(23):127-128.