粘土對混凝土的影響及改善措施*

王敏，張凱峰，孟剛，姚源，胡宇博，王佳敏，童小根

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710300）

聚羧酸減水劑作為高性能外加劑廣泛應(yīng)用于混凝土中，但近年來，其與混凝土原材料的相容性問題日益突出，尤其表現(xiàn)為混凝土原材料砂石中的粘土對混凝土的影響[1-2]。粘土是一種層狀結(jié)構(gòu)礦物質(zhì)，當(dāng)其摻入到混凝土中會(huì)膨脹吸水，將混凝土中的自由水吸進(jìn)其自身中，導(dǎo)致混凝土中用于拌和的自由水減少，降低混凝土流動(dòng)性能[3-4]。而且粘土對混凝土中的聚羧酸減水劑具有強(qiáng)烈的吸附作用，其對聚羧酸減水劑的吸附量是水泥對聚羧酸減水劑的吸附量的幾倍甚至十幾倍，因此大量減水劑會(huì)被其吸附，從而減少水泥對聚羧酸減水劑的吸附，作用于水泥顆粒的減水劑數(shù)量下降，混凝土流動(dòng)性進(jìn)一步降低[5-7]。除此之外，粘土吸附聚羧酸減水劑后，其層間距還會(huì)進(jìn)一步增大，從而吸附更多自由水，再一次降低混凝土中的拌合水，造成惡性循環(huán)[8]，因此粘土對混凝土具有嚴(yán)重的不良影響。目前市場上用來解決粘土造成不良影響的方法并不多，常見的方法要么是對混凝土原材料砂石進(jìn)行清洗，要么是通過多摻聚羧酸減水劑來解決，但是這兩種方法都會(huì)大大增加混凝土的生產(chǎn)成本，并不是最佳的解決思路。本論文系統(tǒng)探究粘土及其摻量對水泥凈漿流動(dòng)度、混凝土流動(dòng)性、混凝土外加劑摻量以及混凝土強(qiáng)度的影響，并制備一種低分子量共聚物混凝土阻泥劑，從而有效改善粘土對混凝土造成的不良影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)試劑和原料

（1）丙烯酸、異丙醇、丙烯酰胺、過硫酸銨為分析純；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、烯丙基磺酸鈉為工業(yè)級。

（2）水泥：本試驗(yàn)采用聲威 P·O42.5 水泥，經(jīng)過水泥試驗(yàn)測試其技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

表1 水泥基本技術(shù)指標(biāo)

（3）粉煤灰：本試驗(yàn)采用大唐盛龍Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度 20%，需水量比 103%，燒失量 6.5%。

（4）礦粉：本試驗(yàn)采用立之林 S95 級礦粉，密度2.9g/cm3，7d 活性指數(shù) 81%，28d 活性指數(shù) 98%。

（5）細(xì)骨料：本試驗(yàn)所用天然砂基本技術(shù)指標(biāo)如表 2 所示。

表2 砂性能指標(biāo)

（6）粗骨料：本試驗(yàn)所用碎石基本技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表3 碎石性能指標(biāo)

（7）粘土：從試驗(yàn)用砂中，通過 75μm 方孔篩篩取所得。

1.2 共聚物阻泥劑的制備方法

在反應(yīng)瓶上添加回流冷凝管并開啟回流，反應(yīng)瓶加入蒸餾水與異丙醇，加熱至體系溫度為 90℃，滴加丙烯酸、丙烯酰胺、烯丙基磺酸鈉混合物水溶液和過硫酸銨水溶液，同時(shí)加入一定量甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，滴加時(shí)間約為 2h，滴加完畢后保溫反應(yīng) 2h，待體系的溫度降至室溫，用 NaOH 溶液中和，然后將異丙醇蒸出，即可得到共聚物阻泥劑溶液。

1.3 分析測試

分子量：采用美國 Waters 公司 2695 型凝膠滲透色譜儀，以 0.1mol/L 的 NaNO3水溶液為流動(dòng)相進(jìn)行試驗(yàn)；水泥凈漿流動(dòng)度：采用 NJ-160A 型水泥凈漿攪拌機(jī)，參照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)；混凝土坍落度與坍落擴(kuò)展度：采用HJW-60 型混凝土攪拌機(jī)，參照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)；混凝土抗壓強(qiáng)度：采用 DYE-2000 型混凝土試塊壓力機(jī)，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果及分析

2.1 粘土對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

試驗(yàn)將砂中所篩的粘土摻入到水泥中，研究不同粘土摻量對水泥凈漿流動(dòng)度的影響，結(jié)果如表 4 和圖 1。

從表 4 和圖 1 可知，粘土對水泥凈漿流動(dòng)度有著非常大的負(fù)面的影響，當(dāng)不慘粘土?xí)r，初始水泥凈漿流動(dòng)度可達(dá)到 280mm，1h 后基本無損失，隨著粘土摻量的增加，水泥凈漿流動(dòng)度開始緩慢下降，當(dāng)粘土摻量超過4% 時(shí)迅速下降，尤其 1h 流動(dòng)度下降非常明顯。

圖1 粘土摻量對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

2.2 粘土對混凝土坍落擴(kuò)展度的影響

本試驗(yàn)以 C30 混凝土的擴(kuò)展度為指標(biāo)，研究不同粘土摻量對混凝土初始以及 1h 后流動(dòng)性能的影響，混凝土配合比見表 5，結(jié)果見表 6 和圖 2。

表5 混凝土配合比 kg/m3

表6 粘土摻量對混凝土擴(kuò)展度的影響

圖2 粘土摻量對混凝土擴(kuò)展度的影響

與水泥凈漿流動(dòng)度趨勢相似，混凝土的初始以及1h 擴(kuò)展度隨砂中粘土摻量的增大迅速下降，其中 1h 擴(kuò)展度的下降趨勢更為明顯。當(dāng)混凝土粘土摻量大于 8%時(shí)，1h 后流動(dòng)性極差，當(dāng)混凝土粘土摻量大于 10%時(shí)，混凝土 1h 后完全無流動(dòng)性能。

2.3 粘土對外加劑摻量的影響

試驗(yàn)保持混凝土的水灰比不變，出機(jī)坍落度控制為(210±10)mm，擴(kuò)展度 (530±20)mm，研究粘土摻量對外加劑摻量的影響，結(jié)果見表 7。

表7 粘土摻量對外加劑摻量的影響

由表 7 可知，隨著砂中泥含量的增加，要保持混凝土出機(jī)達(dá)到相同的流動(dòng)性能，外加劑的摻量需隨著粘土摻量的增加而增加。且當(dāng)砂中粘土摻量低于 10%時(shí)，粘土摻量每增加 1個(gè)百分點(diǎn)，外加劑大約需增加0.18%；當(dāng)砂中粘土摻量高于 10% 且低于 18% 時(shí)，粘土摻量每增加 1個(gè)百分點(diǎn)，外加劑需增加 0.23%；本試驗(yàn)還探究了粘土摻量大于 18% 時(shí)對外加劑摻量的影響，根據(jù)試驗(yàn)觀察，當(dāng)砂中粘土摻量高于 18% 時(shí)，混凝土流動(dòng)性極差，此時(shí)繼續(xù)增加外加劑摻量，混凝土流動(dòng)性變化不大，外加劑的摻入已經(jīng)無法使混凝土具有較好的流動(dòng)性。

2.4 粘土對混凝土強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)保持 C30 混凝土的水灰比不變，坍落度控制為(210±10)mm，擴(kuò)展度 (530±20)mm，研究不同粘土摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表 8 和圖 3。

表8 粘土摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 粘土摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表 8 和圖3可知，混凝土 7d 以及 28d 抗壓強(qiáng)度均隨著粘土摻量的增加均呈下降趨勢，其中粘土摻量從 4% 增加到 18%，混凝土 7d 抗壓強(qiáng)度從 24.8 MPa下降到 20.6MPa，強(qiáng)度下降 4.4MPa，28d 抗壓強(qiáng)度從39.2MPa 下降到 31.8MPa，強(qiáng)度下降 7.4MPa。因此粘土不僅對混凝土工作性能具有較大的負(fù)面影響，同時(shí)會(huì)對混凝土的力學(xué)性能造成嚴(yán)重危害。

2.5 共聚物阻泥對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

將共聚物阻泥劑與聚羧酸減水劑復(fù)配摻入到水泥凈漿中，探究共聚物阻泥劑對水泥凈漿流動(dòng)度的影響，結(jié)果見表 9 和圖 4。

表9 共聚物阻泥對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

圖4 共聚物阻泥對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

由圖 4 可知，摻入共聚物阻泥劑后，水泥初始凈漿流動(dòng)度提高了 12mm；30min 凈漿流動(dòng)度提高了31mm；60min 凈漿流動(dòng)度提高了 39mm。共聚物阻泥劑的摻入有效提高了水泥凈漿的流動(dòng)性能，尤其對水泥漿體的后期流動(dòng)性能具有更大的提升。

2.6 共聚物阻泥對混凝土坍落擴(kuò)展度的影響

將共聚物阻泥劑與聚羧酸減水劑復(fù)配摻入到混凝土中，探究共聚物阻泥劑對混凝土坍落度和擴(kuò)展度的影響。目前有些學(xué)者將低分子量的聚乙二醇添加到混凝土中作為阻泥劑使用，因此本次試驗(yàn)將合成的共聚物與低分子量聚乙二醇作對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖 5。

由圖 5 可知，摻入共聚物阻泥劑后，混凝土初始擴(kuò)展度提高了 45mm；60min 擴(kuò)展度提高了 100mm。共聚物阻泥劑的摻入使得混凝土工作性能得到有效提高，不僅使得混凝土出機(jī)流動(dòng)性增大，而且大幅度降低了混凝土流動(dòng)性的損失，具有較優(yōu)的阻泥性能。低分子量聚乙二醇的摻入同樣可以提高混凝土的擴(kuò)展度，但性能略差于本試驗(yàn)所合成的共聚物阻泥劑。

圖5 共聚物阻泥對混凝土擴(kuò)展度的影響

2.7 共聚物阻泥劑的分子量檢測

本試驗(yàn)所合成的共聚物阻泥劑的作用機(jī)理為，通過試驗(yàn)合成一種低分子量線狀結(jié)構(gòu)共聚物，因?yàn)榈头肿恿烤€狀結(jié)構(gòu)，與梳狀結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑相比，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且分子量是減水劑的十分之一甚至更小，因此將共聚阻泥劑物與聚羧酸減水劑同時(shí)摻入混凝土中，共聚物阻泥劑的擴(kuò)散自由度更大，可以更快地被粘土吸附，從而減少粘土對聚羧酸減水劑的吸附，進(jìn)而混凝土中發(fā)生作用的聚羧酸減水劑的量增大，混凝土流動(dòng)性提高，為了探究本試驗(yàn)所合成的聚合物是否為低分子量共聚物，通過凝膠滲透色譜對其分子量進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖 6。

圖6 共聚物阻泥劑分子量

根據(jù)圖 6 可知，共聚物阻泥劑的分子量為 2271，多分散系數(shù)為 1.05，而常用的聚羧酸減水劑分子量一般為 30000～60000，共聚物阻泥劑的分子量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聚羧酸減水劑，因此可以通過競爭吸附緩解粘土對混凝土造成的不良影響。除此之外，低分子量線性共聚物還是一種優(yōu)良的陶瓷分散劑[9-10]，而陶土的主要成分為粘土，因此共聚物阻泥劑被粘土吸附后還可以對粘土起到很好的分散作用，釋放被聚集在一起的粘土包裹的自由水，從而進(jìn)一步提高混凝土體系的流動(dòng)性。

3 結(jié)論

（1）通過水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)、混凝土試驗(yàn)探究粘土對混凝土造成的不良影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘土對混凝土工作性能、力學(xué)性能均具有不良影響，并且隨著混凝土原材料中粘土含量的提高不良影響逐漸增大。

（2）丙烯酸、丙烯酰胺、烯丙基磺酸鈉與甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨為單體，異丙醇為鏈轉(zhuǎn)移劑，過硫酸銨為引發(fā)劑合成一種低分子量線型結(jié)構(gòu)共聚物阻泥劑。

（3）共聚物阻泥劑的添加可有效改善粘土對混凝土造成的不良影響，提高混凝土的工作性能，其應(yīng)用性能優(yōu)于低分子量聚乙二醇。