集料含泥量對(duì)減水劑性能影響及敏感性研究

宋光輝

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 211112；2.在役長(zhǎng)江大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211112)

集料含泥量對(duì)減水劑性能影響及敏感性研究

宋光輝1，2

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司, 江蘇 南京 211112；2.在役長(zhǎng)江大橋梁安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 211112)

工程中砂石含泥量對(duì)減水劑性能造成不利影響，為探索集料含泥量對(duì)減水劑性能影響規(guī)律和影響機(jī)制，系統(tǒng)研究了砂含泥量對(duì)聚羧酸減水劑、萘系減水劑的減水性能影響，并進(jìn)行了減水效果敏感性分析。結(jié)果表明：砂含泥量為3.0%～3.4%時(shí)，減水劑的減水效果對(duì)砂含泥量的敏感性最高，聚羧酸減水劑摻量增加，砂含泥量對(duì)其減水效果影響增大；砂含泥量小于3.0%時(shí)，大摻量萘系減水劑對(duì)含泥量敏感性較?。缓形⒘康酿ね?，能夠提高萘系減水劑的減水效果。

集料；含泥量；減水劑；敏感性

自20世紀(jì)30年代以來(lái)，外加劑已成為除水泥、砂、石和水之外現(xiàn)代高性能混凝土中必不可少的第五組分[1-3]。外加劑的使用被認(rèn)為是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土技術(shù)后的第三次混凝土技術(shù)突破[4]。其中聚羧酸系高性能減水劑、萘系高效減水劑是工程中使用最為廣泛的兩種外加劑。尤其聚羧酸減水劑因其摻量低、分散性能好、減水率高、增強(qiáng)效果顯著、保坍性能優(yōu)異、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)而成為國(guó)內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開發(fā)的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[5-7]。

然而實(shí)際工程中，影響聚羧酸減水劑、萘系減水劑發(fā)揮其減水性能的因素眾多，特別是砂石原材料中含泥量對(duì)其減水性能影響[8-15]。使用含泥量較高的砂石，要達(dá)到相同的流動(dòng)度，聚羧酸減水劑的摻量需要提高30%～50%，甚至成倍增加。這不僅使得聚羧酸系減水劑在施工過(guò)程的控制難度加大，更是大大提高了成本投入，這對(duì)聚羧酸系減水劑的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響。因此，有必要研究砂石含泥量對(duì)減水劑的影響，探索其對(duì)減水劑性能影響規(guī)律和影響機(jī)制，并獲取允許摻入的砂石含泥量，以期為聚羧酸高性能減水劑、萘系高效減水劑在工程中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 水泥：普通硅酸鹽P·O42.5水泥，其物理性能見表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

(2) 砂：普通河砂，其物理性能見表2，砂級(jí)配分析見表3。

表2 砂物理性能

表3 砂級(jí)配分析

不同含泥量砂通過(guò)原始砂和黃泥計(jì)算調(diào)整。原始砂為中砂，含泥量為3.4%。試驗(yàn)用砂含泥量高于原始砂含泥量時(shí)，重新洗干凈砂，加入黃泥進(jìn)行人工配制；試驗(yàn)用砂含泥量低于原始砂含泥量時(shí)，經(jīng)計(jì)算黃泥添加量，以滿足試驗(yàn)含泥量需求。

(3) 減水劑：聚羧酸高性能減水劑，液態(tài)，固含量39%；萘系高效減水劑，粉狀。

(4) 泥：黃泥，經(jīng)烘干、人工粉磨成粉末狀。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 砂漿中砂含泥量對(duì)減水劑效果影響研究

根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況，分別選取砂含泥量(摻量分別為0.0%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)時(shí)，對(duì)不同摻量聚羧酸高性能減水劑(摻量為0.20%、0.26%、0.32%、0.38%)、萘系高效減水劑(摻量為0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)的減水效果影響。以膠砂流動(dòng)度達(dá)到(180±5)mm為基準(zhǔn)，測(cè)定砂漿中聚羧酸高性能減水劑、萘系高效減水劑的減水率，并進(jìn)行機(jī)理與敏感性分析。

1.2.2 集料含泥量對(duì)混凝土中減水劑效果影響、混凝土力學(xué)性能影響

選擇萘系減水劑摻量為0.75%，聚羧酸減水劑的摻量為0.32%，研究集料含泥量(摻量0.6%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)對(duì)混凝土拌合物中減水劑的減水率、硬化混凝土強(qiáng)度的影響，從而得出砂含泥量的控制限量。

混凝土按照某工地實(shí)際配合比進(jìn)行配制，以混凝土拌合物達(dá)到同一坍落度(100±5)mm為基準(zhǔn)，測(cè)定混凝土中減水劑的減水率。按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]GB/T50081-2002測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂含泥量對(duì)減水劑減水性能影響

砂含泥量、聚羧酸高性能減水劑摻量對(duì)其減水性能影響如圖1所示。砂含泥量、萘系高效減水劑摻量對(duì)其減水性能影響結(jié)果如圖2所示。

圖1 砂含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑的減水效果影響

圖2 砂含泥量對(duì)萘系高效減水劑的減水效果影響

由圖1可以看出，隨著砂含泥量的增大，聚羧酸高性能減水劑均呈現(xiàn)先緩慢減小，再快速降低，最后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。砂含泥量在0.0%～2.5%時(shí)，減水率緩慢減?。簧昂嗔繌?.5%增加至3.4%過(guò)程中，其減水率快速減?。浑S后隨著含泥量繼續(xù)增加，其減水率趨于穩(wěn)定。砂含泥量在3.4%時(shí)，聚羧酸高性能減水劑的減水率最低。

眾所周知，聚羧酸減水劑的減水機(jī)理主要是空間位阻效應(yīng)的發(fā)揮，其分子結(jié)構(gòu)中主鏈上的羧酸根等基團(tuán)吸附在水泥顆粒表面，側(cè)鏈伸向溶液中，從而實(shí)現(xiàn)水泥顆粒的分散。而砂中的泥土自身的吸附性與疏水基的定向吸附共同作用及黏土中的金屬離子與聚羧酸的螯合作用可能是黏土吸附聚羧酸減水劑的機(jī)理。由于黏土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附作用導(dǎo)致吸附于水泥顆粒之間發(fā)揮空間位阻、靜電斥力、引氣隔離等作用的聚羧酸高性能減水劑減少，聚羧酸減水劑對(duì)水泥的分散效果降低，其減水效果下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂含泥量較低(摻量小于2.5%)時(shí)，黏土的吸附作用并不顯著，聚羧酸減水劑的減水率略有降低。隨著含泥量的增加(摻量在2.5%～3.4%)，被吸附的聚羧酸大分子增多，減水性能明顯降低。當(dāng)含泥量大于3.4%時(shí)，黏土的吸附作用趨于飽和，聚羧酸減水劑的減水率也趨于穩(wěn)定[17]。

由圖2可以看出，砂中含泥量在1.4%～2.5%范圍內(nèi)，萘系減水劑的減水率與砂含泥量呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)；砂中含泥量在2.5%～3.4%范圍內(nèi), 萘系減水劑減水率隨含泥量的增大而減??；砂中含泥量大于3.4%時(shí)，砂含泥量對(duì)萘系減水劑的減水率的影響逐漸減低。由此可知：黏土層間結(jié)構(gòu)對(duì)萘系減水劑分子的吸附作用較小，相反，含有一定量的黏土，反而能夠更好的發(fā)揮萘系減水劑的減水效果。

另外，從圖2可以注意到，萘系減水劑摻量在1.00%～1.25%時(shí)，隨著砂含泥量的增大，其減水率均在20%上下小幅波動(dòng)。表明砂含泥量對(duì)大摻量萘系減水劑的減水效果無(wú)顯著影響。

2.2 減水劑減水效果對(duì)砂含泥量敏感性分析

敏感性是指影響因素(自變量)的變動(dòng)對(duì)被影響因素(因變量)變動(dòng)的影響程度大小。如果影響因素較小的變動(dòng)引起被影響因素較大的變動(dòng)，就稱之為被影響因素對(duì)該影響因素的敏感性強(qiáng)。反之則稱之為敏感性弱。通常用敏感性系數(shù)S來(lái)衡量敏感性的強(qiáng)弱。

設(shè)：

W=f(x,y,z)

(1)

則：

(2)

(3)

(4)

其中腳標(biāo)0表示變動(dòng)前的數(shù)值，也即基數(shù)。S表示敏感性系數(shù)，Sx、Sy、Sz分別表示x、y、z的敏感性系數(shù)。在一元函數(shù)情況下則有：

y=f(x)

(5)

(6)

式(6)也可以表達(dá)為(其中腳標(biāo)1表示變動(dòng)后的數(shù)值，腳標(biāo)0表示變動(dòng)前的數(shù)值)：

當(dāng)Δx→0時(shí)則有

(7)

由此可見，敏感性系數(shù)也可以表述為被影響因素的變動(dòng)率與影響因素的變動(dòng)率之比，比率越大則敏感性越強(qiáng)。

不同砂含泥量下，聚羧酸系減水劑、萘系減水劑的敏感系數(shù)變化分別見圖3和圖4。

圖3 砂含泥量下聚羧酸減水劑的減水效果敏感性

圖4 砂含泥量下萘系減水劑的減水效果敏感性

由圖3可知，隨著砂含泥量增大，聚羧酸減水劑的敏感系數(shù)Sx經(jīng)歷了保持穩(wěn)定，快速增大再快速減小，最后趨于穩(wěn)定的四個(gè)階段。當(dāng)砂含泥量小于2.5%和大于4.4%時(shí)，聚羧酸減水劑對(duì)含泥量敏感性較弱；當(dāng)砂含泥量為3.4%時(shí)，聚羧酸減水效果對(duì)砂中含泥量最敏感。另外可以發(fā)現(xiàn)，聚羧酸減水劑摻量越大，砂含泥量對(duì)其減水率的影響越大。

由圖4可知，隨著砂含泥量增大，萘系減水劑的減水效果敏感系數(shù)Sx呈現(xiàn)出現(xiàn)快速增大再逐漸減小的趨勢(shì)。當(dāng)含泥量在3.0%～3.4%范圍內(nèi)，萘系減水劑的減水效果敏感性最大。當(dāng)含泥量小于3.0%時(shí)，大摻量萘系減水劑對(duì)含泥量敏感性較小。對(duì)比可知，當(dāng)砂含泥量高于3.0%時(shí)，聚羧酸減水劑的減水率對(duì)砂石含泥量的敏感性高于萘系減水劑。當(dāng)砂含泥量低于3.0%時(shí)，聚羧酸減水劑減水率對(duì)砂含泥量的敏感性則低于萘系減水劑。

2.3 集料含泥量對(duì)混凝土性能影響

不同集料含泥量(摻量為0.6%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)下，混凝土拌合物中減水劑的減水率、硬化混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見表4。

表4 集料含泥量下減水劑的減水率

由表4可知，隨著集料含泥量的增加，摻量為0.75%的萘系減水劑減水率呈現(xiàn)先增大，再逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)；集料含泥量為2.5%時(shí)，減水率達(dá)到最大值16.5%。隨著集料含泥量的增加，摻量為0.32%的聚羧酸減水劑減水率呈現(xiàn)先降低，最終趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)；集料含泥量為0.6%時(shí)，聚羧酸減水劑的減水率達(dá)到最大值25.2%。集料含泥量從2.5%增加至3.4%過(guò)程中，聚羧酸減水劑的減水率從23.6%下降至13.4%，降低43%。集料含泥量增至3.4%后，萘系減水劑與聚羧酸減水劑的減水率相近。

比較摻兩種減水劑的混凝土在不同集料含泥量下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后的立方體抗壓強(qiáng)度可知，摻量0.75%的萘系減水劑及摻量0.32%的聚羧酸減水劑混凝土7 d立方體強(qiáng)度均與集料的含泥量負(fù)相關(guān)；其28 d立方體強(qiáng)度隨著含泥量的增加呈現(xiàn)先降低再增加最后降低的趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d后，摻量0.75%的萘系減水劑混凝土試塊強(qiáng)度都高于對(duì)應(yīng)摻量0.32%的聚羧酸減水劑的混凝土試塊強(qiáng)度。造成混凝土抗壓強(qiáng)度下降的原因是減水劑被黏土吸附后，要使配制的混凝土拌合物達(dá)到同樣的流動(dòng)性，需要增加用水量，從而增大了混凝土拌合物的水灰比，導(dǎo)致硬化混凝土抗壓強(qiáng)度的降低。

2.4 混凝土性能對(duì)集料含泥量敏感性分析

2.4.1 減水劑減水效果對(duì)集料含泥量敏感性分析

以集料含泥量為自變量，分別以混凝土中萘系減水劑、聚羧酸系減水劑的減水率為因變量，利用式(5)～式(7)計(jì)算得出減水劑減水率敏感系數(shù)見圖5。

圖5 減水劑減水效果對(duì)集料含泥量敏感性

由圖5可以看出，當(dāng)集料含泥量高于3.0%時(shí)，摻0.32%的聚羧酸減水劑對(duì)集料含泥量的敏感性高于摻0.75%的萘系減水劑對(duì)集料含泥量的敏感性。當(dāng)集料含泥量低于3.0%時(shí)，摻0.32%的聚羧酸減水劑對(duì)集料含泥量的敏感性則低于摻0.75%的萘系減水劑對(duì)集料含泥量的敏感性。聚羧酸減水劑減水率對(duì)集料含泥量敏感系數(shù)峰值較萘系減水劑減水率對(duì)集料含泥量敏感系數(shù)大約200%。

2.4.2 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)減水劑敏感性分析

以混凝土中減水劑減水率為自變量，分別以混凝土7 d、28 d立方體抗壓強(qiáng)度為因變量，利用式(5)～式(7)計(jì)算得出混凝土抗壓強(qiáng)度敏感系數(shù)見表5。

表5 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度敏感系數(shù)Sx

由表5可以得知，摻量為0.75%的萘系減水劑混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)萘系減水劑的減水率為12.8%時(shí)，摻萘系減水劑的混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)萘系減水劑的減水率敏感性最高；摻量為0.32%的聚羧酸減水劑混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)聚羧酸減水劑的減水率為23.6%時(shí)，摻聚羧酸減水劑的混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)聚羧酸減水劑的減水率敏感性最高。摻聚羧酸減水劑的混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)聚羧酸減水劑減水率的敏感性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于摻萘系減水劑的混凝土試塊強(qiáng)度對(duì)萘系減水劑減水率的敏感性。

3 結(jié) 論

(1) 砂含泥量為3.0%～3.4%時(shí)，減水劑的減水效果對(duì)砂含泥量的敏感性最高。

(2) 砂含泥量為3.4%時(shí)，聚羧酸減水劑的減水效果對(duì)砂的含泥量的敏感性較萘系減水劑高；且隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，砂含泥量對(duì)其減水效果影響增大。

(3) 大摻量萘系減水劑對(duì)含泥量敏感性較小。含有微量的黏土，能夠提高萘系減水劑的減水效果。

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Sensitivity Analysis of Silt Content on Performance of Water-reducers

SONG Guanghui1，2

(1.JiangsuTransportationResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu211112,China;2.TheStateKeyLaboratoryonSafetyandHealthofIn-serviceLong-spanBridges,Nanjing,Jiangsu211112,China)

The performance of water-ruducers is affected greatly by silt content of aggregate. In order to explore the influence law and influence mechanism of silt content on water-reducers, the influence of silt content of sand on water reduction performance of polycarboxylate superplasticizer and naphthalene superplasticizer was systematically investigated. Sensitivity analysis of water-reducers was conducted. The results show that water reduction performance of superplasticizer is sensitive to the 3.0%～3.4% of silt content; A certain amount of silt can contribute to the improvement of water reduction performance of naphthalene superplasticizer.

aggregate; silt content; superplasticizer; sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.035

2016-12-16

2017-02-17

宋光輝(1983—)，男，江蘇南京人，工程師，主要從事橋梁質(zhì)量控制及檢測(cè)評(píng)估等工作。E-mail：sgh@jsti.com

TU528.042+.2

A

1672—1144(2017)02—0183—05