泥土副作用對(duì)砂漿性能及含泥量限值的影響研究

王晨晨，張明明

（長(zhǎng)安大學(xué) 建工學(xué)院，陜西 西安 710018）

1 引言

混凝土材料是目前廣泛應(yīng)用的土木工程材料，集料在水泥混凝土中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為70%-80%，其品質(zhì)優(yōu)劣對(duì)混凝土性能有重要影響.由于受到生產(chǎn)條件的限制，集料中不可避免地含有泥，泥土顆粒的摻入會(huì)對(duì)混凝土性能造成一定的負(fù)面影響.不同礦物組成的泥對(duì)混凝土性能影響的程度有所不同，其中具有較強(qiáng)吸水性和膠體特性的黏土質(zhì)泥對(duì)混凝土性能的影響最為顯著[1].為改善混凝土的工作性能，通常需要加入減水劑等外加劑，不同種類的外加劑對(duì)集料中泥土的敏感程度不同.由于分子結(jié)構(gòu)中存在黏土吸附的功能基團(tuán)，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土中的含泥量最為敏感[2].大量研究表明，泥土顆粒會(huì)降低減水劑的減水率和分散度，對(duì)混凝土的力學(xué)性能、工作性能及耐久性均會(huì)產(chǎn)生影響[3-6].

泥土顆粒是指天然集料中粒徑小于75μm的顆粒，含泥量已經(jīng)成為集料質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo).泥土顆粒易與細(xì)集料砂中的細(xì)小顆?；祀s，相較于粗集料中所含的泥更不易進(jìn)行處理.所以，研究細(xì)集料含泥量對(duì)混凝土性能的影響規(guī)律尤為重要.

本文從水泥砂漿工作性能和力學(xué)性能兩個(gè)方面出發(fā)，通過水泥凈漿黏度試驗(yàn)、水泥砂漿強(qiáng)度及流動(dòng)度試驗(yàn)，分析含泥量對(duì)砂漿各項(xiàng)性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理，并提出最佳含泥量這一指標(biāo)，為砂漿和混凝土的生產(chǎn)控制提供了參考.

2 試驗(yàn)

2.1 原材料準(zhǔn)備

2.1.1 水泥

西安某廠生產(chǎn)的P.0 42.5水泥，早期強(qiáng)度高、活性較好、質(zhì)量穩(wěn)定，化學(xué)組分如表1所示:

表1 水泥的化學(xué)組分

2.1.2 聚羧酸高效減水劑

西安某廠生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，相關(guān)性能指標(biāo)如表2：

表2 聚羧酸高效減水劑均質(zhì)性指標(biāo)

2.1.3 砂

采用水洗砂，其物理性能指標(biāo)如下表3所示：

表3 水洗砂物理性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

水泥凈漿粘度：稱取水泥（含泥）450g，加入聚羧酸減水劑（摻量為2.2%）后，攪拌器攪拌120s，并靜置60s，利用數(shù)字旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)NDJ-5S在恒定轉(zhuǎn)速12r/s下測(cè)定漿體的黏度.水泥凈漿的原料配比如表4所示：

表4 水泥凈漿原料配比

水泥砂漿強(qiáng)度：依照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》.砂漿試件尺寸為40mm x 40mm x 160mm，養(yǎng)護(hù)7d和28d后，分別測(cè)定砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.砂漿的水泥、水及減水劑用量如表4所示，細(xì)集料表5所示（含泥量指泥占細(xì)集料質(zhì)量百分比）：

水泥砂漿流動(dòng)度：根據(jù)GB/T8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》在0-2.5h內(nèi)每間隔0.5h測(cè)定一次砂漿在跳桌上沿相互垂直方向上的流動(dòng)直徑.砂漿原料配比及細(xì)集料粒徑組成分別如表4及表5所示.

表5 細(xì)集料顆粒粒徑配比

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥凈漿黏度試驗(yàn)

減水劑對(duì)水泥體系的作用主要通過吸附于水泥表面改變水泥顆粒表面電荷性質(zhì)并產(chǎn)生一定的空間位阻效應(yīng)來使水泥顆粒之間發(fā)生相互作用，進(jìn)而改變其流變性能[7].故含泥量對(duì)分散劑的影響可通過水泥凈漿的流變性質(zhì)來評(píng)價(jià)，黏度是評(píng)價(jià)水泥凈漿流變性質(zhì)的重要指標(biāo)，反映了漿體抵抗剪切變形的能力.

通過數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試不同含泥量的水泥凈漿在恒定的剪切速率下隨時(shí)間的變化情況，得到水泥凈漿變化曲線如圖1所示：

由圖1可知，水泥凈漿的黏度隨含泥量的增加而增加.當(dāng)含泥量不超過3%時(shí)，黏度曲線較為平緩；當(dāng)含泥量大于3%時(shí)，水泥凈漿黏度隨含泥量增加迅速增加，特別是當(dāng)含泥量為7%時(shí)，水泥凈漿2.5h黏度達(dá)到約5500mpa·s.由此可見，當(dāng)含泥量超過一定限值時(shí)，泥將會(huì)嚴(yán)重影響聚羧酸減水劑的作用效果，降低其對(duì)水泥顆粒的分散能力，使水泥凈漿粘度增大，工作性變差.

圖1 凈漿黏度在不同含泥量不同時(shí)間下的變化曲線（w/c=0.24，聚羧酸摻量為2.2%）

3.2 水泥砂漿流動(dòng)度試驗(yàn)

依照GB/T《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》測(cè)定不同含泥量的砂漿在水泥水化時(shí)間為 0h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h的流動(dòng)度，測(cè)試結(jié)果如表6所示：

依據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制出水泥砂漿流動(dòng)度變化曲線如圖2所示：

表6 不同含泥量的河沙在不同水泥水化時(shí)間的流動(dòng)度mm

由圖2可知，隨著含泥量的增加，砂漿的流動(dòng)度整體呈下降趨勢(shì)，和易性變差.當(dāng)含泥量小于4.5%時(shí)，出現(xiàn)砂漿流動(dòng)度隨含泥量增加而改善的現(xiàn)象；當(dāng)含泥量大于4.5%以后，砂漿在不同水泥水化時(shí)間的流動(dòng)度均隨含泥量增加而降低.

根據(jù)以上試驗(yàn)現(xiàn)象，分析原因?yàn)槟嗤令w粒對(duì)聚羧酸減水劑的吸附能力強(qiáng)于水泥，故摻入的泥土顆粒對(duì)聚羧酸減水劑起到了吸附消耗作用，減少了實(shí)際發(fā)揮作用的減水劑的量，若要達(dá)到相同的減水效果需增加減水劑用量.同時(shí)，泥土顆粒具有較大的比表面積，吸附大量的拌和用水，導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性變差.此外，泥土顆粒表面粗糙，使得砂漿體系中各顆粒間的摩阻力增大，增加了流動(dòng)的難度，流動(dòng)度減小.對(duì)于試驗(yàn)中流動(dòng)度隨含泥量增加而增大的現(xiàn)象，分析原因?yàn)槟嗤令w粒作為一種粉體材料在砂漿體系中起到了摻合料的填充作用，調(diào)節(jié)粒徑級(jí)配，引起微集料效應(yīng)，改善了砂漿的和易性.當(dāng)含泥量增大，其對(duì)減水劑的吸附消耗作用居于主導(dǎo)地位，砂漿流動(dòng)度下降.

圖2 砂漿在不同含泥量不同時(shí)間下的流動(dòng)度（聚羧酸摻量為2.2%w/c=0.24）

3.3 水泥砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

通過砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)得到不同含泥量的砂漿在7d和28d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度值如表7所示：

表7 砂漿的強(qiáng)度（聚羧酸的摻量為2.2%）

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制出砂漿的抗壓強(qiáng)度隨含泥量的變化曲線如圖3所示，砂漿抗折強(qiáng)度隨含泥量的變化曲線如圖4所示：

通過分析圖3可知，2%含泥量為7d和28d抗壓強(qiáng)度曲線拐點(diǎn).當(dāng)含泥量小于2%時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度隨含泥量增加而增加.分析原因?yàn)樯倭康哪嗤令w粒可填充水泥水化硬化初期所形成的微孔及裂縫，使砂漿強(qiáng)度有所增加.當(dāng)含泥量大于2%時(shí)，砂漿抗壓強(qiáng)度隨含泥量增加不斷減小.此時(shí)，泥土顆粒的存在降低了水泥水化產(chǎn)物之間及其與集料之間的粘結(jié)力使強(qiáng)度下降.同時(shí)泥土顆粒易以泥團(tuán)的形式分布于漿體中，形成強(qiáng)度薄弱區(qū).此外，泥中所含的有機(jī)質(zhì)等雜質(zhì)會(huì)降低水泥水化速率，導(dǎo)致強(qiáng)度降低.由圖4可知，砂漿抗折強(qiáng)度隨含泥量增加而不斷降低，且含泥量對(duì)砂漿早期抗折強(qiáng)度影響更為顯著.將圖3與圖4進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，砂漿的抗折強(qiáng)度對(duì)含泥量更加敏感.故在道路這類對(duì)抗折強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)物中需對(duì)含泥量嚴(yán)格控制

3.4 最佳含泥量

由前述分析可知，當(dāng)含泥量為2%時(shí)，水泥凈漿的黏度基本不受影響，水泥砂漿流動(dòng)度和7d、28d抗壓強(qiáng)度較不含泥砂漿均有所改善，砂漿7d抗折強(qiáng)度降低約7%左右,28d抗折強(qiáng)度基本不變.綜合考慮經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值，在對(duì)抗折強(qiáng)度無特殊要求的工程中可選定2%為最佳含泥量.

4 結(jié)論

（1）水泥凈漿的黏度隨含泥量的增加而增大，且當(dāng)含泥量大于2%以后隨含泥量增加黏度增加迅速；當(dāng)含泥量小于2%時(shí)，水泥砂漿流動(dòng)度隨含泥量增加而增大；當(dāng)含泥量大于2%時(shí)，砂漿流動(dòng)度隨含泥量增加而減小.故少量的泥土顆粒可對(duì)砂漿的流變性質(zhì)起到一定的改善作用，但若含泥量超過一定限值會(huì)給砂漿流變性質(zhì)帶來一定的負(fù)面影響.

（2）當(dāng)含泥量小于2%時(shí)，水泥砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度均隨含泥量增加而增大；當(dāng)含泥量大于2%時(shí)，砂漿的7d和28d抗壓強(qiáng)度隨含泥量增加而降低；隨含泥量降低，砂漿7d抗折強(qiáng)度不斷減?。缓嗔繉?duì)砂漿28d抗折強(qiáng)度影響不大.

（3）本試驗(yàn)探究了含泥量對(duì)水泥砂漿流變性質(zhì)和力學(xué)性能的影響，并在兼顧使用要求和經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上提出將2%作為一般性工程的最佳含泥量.

〔1〕王應(yīng),王智,胡倩文,等.集料中黏土質(zhì)泥及其對(duì)混凝土性能的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(3):599-603.

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〔7〕曹恩祥.聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿體系流變性能的作用機(jī)理研究[D].清華大學(xué),2011.