高吸附性機(jī)制砂混凝土施工性能調(diào)控研究

王振 黃法禮 李化建 王濤利 易忠來(lái) 楊志強(qiáng)

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.浙江交投麗新礦業(yè)有限公司，浙江麗水 323010

隨著優(yōu)質(zhì)天然河砂資源的不斷消耗，機(jī)制砂逐漸成為混凝土細(xì)骨料的主要來(lái)源［1］。工程實(shí)踐表明，高吸附性機(jī)制砂具有吸水率高的典型特征［2］，采用高吸附性機(jī)制砂制備的混凝土易出現(xiàn)泵送時(shí)堵管、澆筑后振搗困難、成型后結(jié)構(gòu)不密實(shí)等現(xiàn)象［3］，影響混凝土結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)程和服役性能。鐵路、公路等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［4-5］通過(guò)規(guī)定機(jī)制砂吸水率指標(biāo)限制高吸附性機(jī)制砂的應(yīng)用。

機(jī)制砂高吸附性的一方面原因是生產(chǎn)過(guò)程中摻入了黏土礦物。蒙脫土、高嶺土和伊利土等主要黏土礦物具有鋁硅酸鹽層狀結(jié)構(gòu)［6］，在混凝土中競(jìng)爭(zhēng)吸附減水劑［7］、吸水膨脹［8］和阻礙水泥水化［9］，導(dǎo)致混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和體積穩(wěn)定性能均發(fā)生不同程度的劣化［10-11］。黏土礦物引起機(jī)制砂吸附性高的問(wèn)題可通過(guò)控制機(jī)制砂生產(chǎn)工藝有效解決。

機(jī)制砂高吸附性的另一方面原因與母巖成巖過(guò)程密切相關(guān)，是機(jī)制砂自身的物理特性。鄧最亮［12］研究認(rèn)為非洲馬普托大橋項(xiàng)目中的骨料吸水率大于3%的原因是巖石的多孔結(jié)構(gòu)。Feng等［13］研究發(fā)現(xiàn)，相比于含有輝石鏈狀結(jié)構(gòu)的石粉，聚羧酸減水劑更易插層吸附到含有白云母層狀結(jié)構(gòu)的石粉上，而短側(cè)鏈的聚羧酸減水劑在兩種石粉中的分散差異性較小。張廣田等［14-15］研究認(rèn)為硅質(zhì)機(jī)制砂表面存在大量的硅氧斷裂鍵，通過(guò)陽(yáng)離子形成雙電層大量吸附陰離子減水劑分子，進(jìn)而開發(fā)出具有強(qiáng)分散和吸附絡(luò)合作用的改性劑提高硅質(zhì)機(jī)制砂混凝土的工作性能。目前針對(duì)機(jī)制砂自身高吸附性對(duì)混凝土性能影響的研究較少，高吸附性機(jī)制砂的應(yīng)用還存在技術(shù)瓶頸。

隨著機(jī)制砂應(yīng)用范圍不斷拓展，各類不同成巖機(jī)理的巖石被用于生產(chǎn)機(jī)制砂，高吸附性機(jī)制砂在工程中的應(yīng)用頻率逐漸升高［16］。本文以火成巖類高吸附性玄武巖機(jī)制砂為研究對(duì)象，從顆粒級(jí)配優(yōu)化、石粉含量調(diào)整、預(yù)吸水處理、降低替代率和摻加專用保坍外加劑等方面研究高吸附性機(jī)制砂混凝土施工性能調(diào)控技術(shù)措施，以期為高吸附性機(jī)制砂的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）和F類Ⅰ級(jí)粉煤灰（FA）滿足TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［4］中的技術(shù)要求，其主要物理性能和化學(xué)組成見表1。河砂（HS）和玄武巖機(jī)制砂（XWY）的主要性能見表2，玄武巖機(jī)制砂的MB值為2.0 g/kg，吸水率為2.5%，具有顯著吸附性能。粗骨料（G）為5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石。試驗(yàn)采用了4種減水劑，分別為：減水率32%、固含量28%的標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑（SP1）；減水率30%、固含量25%的保坍型聚羧酸減水劑（SP2）；減水率20%、固含量27%的脂肪族減水劑（SP3）；減水率20%的粉狀萘系減水劑（SP4）。水（W）為自來(lái)水。

表1 水泥和粉煤灰主要物理性能和化學(xué)組成

表2 細(xì)骨料主要性能

從材料角度采用不同技術(shù)手段對(duì)玄武巖機(jī)制砂進(jìn)行調(diào)控，研究高吸附性機(jī)制砂混凝土施工性能變化規(guī)律。不同類型機(jī)制砂的制備方法如下：

1）不同顆粒級(jí)配機(jī)制砂：先將機(jī)制砂篩分成＜0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm共7個(gè)粒級(jí)，砂顆粒級(jí)配曲線見圖1?？芍盒鋷r機(jī)制砂原始級(jí)配中粗顆粒含量比例高，超出GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》中2區(qū)界限，細(xì)度模數(shù)為3.3；級(jí)配A位于2區(qū)界限之間，細(xì)度模數(shù)為2.6；級(jí)配B用于對(duì)比試驗(yàn)，其細(xì)顆粒含量比例高，細(xì)度模數(shù)為1.8。

圖1 砂顆粒級(jí)配

2）不同石粉含量機(jī)制砂：先將機(jī)制砂顆粒級(jí)配設(shè)置為級(jí)配A，然后再稱取定量石粉添入到級(jí)配A中制成石粉含量分別為0、3%、5%、8%、10%、15%的機(jī)制砂。

3）預(yù)濕機(jī)制砂：將級(jí)配A、石粉含量5%的機(jī)制砂在水中浸泡48 h，然后自然風(fēng)干至飽和面干狀態(tài)，預(yù)濕機(jī)制砂的吸水率為2.5%。

4）不同替代率機(jī)制砂：采用級(jí)配A、石粉含量5%的機(jī)制砂替換河砂，制備成機(jī)制砂替代率分別為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%的混合砂。

1.2 配合比

參照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)了混凝土配合比，見表3。HS為采用河砂制備的對(duì)照組混凝土；J1-J3為采用不同級(jí)配機(jī)制砂制備的混凝土；J4-J9為采用不同石粉含量機(jī)制砂制備的混凝土；J10為采用預(yù)濕機(jī)制砂制備的混凝土；J11-J17為采用不同替代率機(jī)制砂制備的混凝土；J18-J21為采用不同減水劑制備的玄武巖機(jī)制砂混凝土。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

J1-J3和J11-J17中減水劑摻量與HS中的摻量保持一致，J4-J9、J10和J18-J21中減水劑摻量與HS不同，目的是調(diào)整減水劑摻量將機(jī)制砂混凝土坍落度與河砂混凝土控制在相近水平，比較調(diào)控措施對(duì)降低混凝土制造成本的效果。J1-J18中，混凝土配合比中所用的減水劑均為標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑；J19中使用的減水劑是保坍型聚羧酸減水劑，J20中使用的減水劑是脂肪族減水劑，J21中使用的減水劑是萘系減水劑。

1.3 試驗(yàn)方法

將水泥、粉煤灰、砂、碎石按照配合比加入攪拌機(jī)中，啟動(dòng)攪拌機(jī)強(qiáng)制攪拌30 s，再在攪拌好的混合材料中加入水和外加劑，強(qiáng)制攪拌180 s，制得新拌混凝土。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試新拌混凝土坍落度和含氣量。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型邊長(zhǎng)100 mm立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后測(cè)試試件抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒級(jí)配對(duì)混凝土性能的影響

顆粒級(jí)配對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響見圖2。減水劑摻量相同時(shí)，機(jī)制砂混凝土的初始坍落度小于河砂混凝土；河砂混凝土60 min后的經(jīng)時(shí)坍落度為160 mm，而60 min后不同級(jí)配的機(jī)制砂混凝土均無(wú)流動(dòng)性。玄武巖機(jī)制砂由于具有高吸附性，在水泥漿體中逐漸吸附減水劑分子和水，導(dǎo)致減水劑分散作用降低以及自由水含量減少［17］，機(jī)制砂混凝土的工作性能顯著損失。J1和J3的初始坍落度比J2分別小10.8%和5.4%。玄武巖機(jī)制砂原始級(jí)配細(xì)度模數(shù)為3.3，粗顆粒含量高，混凝土泌水傾向大；級(jí)配B細(xì)度模數(shù)為1.8，細(xì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例高，機(jī)制砂的總比表面積大，對(duì)減水劑和水的吸附性增強(qiáng)，且在流變過(guò)程中對(duì)漿體需求量更高；級(jí)配A細(xì)度模數(shù)為2.6，粗、細(xì)顆粒含量比例合理，對(duì)混凝土工作性能貢獻(xiàn)優(yōu)于原始級(jí)配機(jī)制砂和級(jí)配B機(jī)制砂。

圖2 顆粒級(jí)配對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響

顆粒級(jí)配對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖3。機(jī)制砂混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度均高于河砂混凝土，機(jī)制砂中石粉填充效應(yīng)［18］以及顆粒棱角性強(qiáng)［19］有利于提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。級(jí)配B機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，可能與機(jī)制砂中細(xì)顆粒含量高，填充效果更強(qiáng)有關(guān)［20］。高吸附性機(jī)制砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)劣化作用，優(yōu)化機(jī)制砂級(jí)配可改善高吸附性機(jī)制砂混凝土的初始工作性能，但對(duì)改善高吸附性機(jī)制砂混凝土經(jīng)時(shí)工作性能的效果有限。

圖3 顆粒級(jí)配對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 石粉含量對(duì)混凝土性能的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響見圖4。通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，機(jī)制砂混凝土的初始坍落度均能達(dá)到185～200 mm，但機(jī)制砂的高吸附性致使60 min后不同石粉含量機(jī)制砂混凝土均無(wú)流動(dòng)性。隨著機(jī)制砂中石粉含量的增大，達(dá)到目標(biāo)初始坍落度的減水劑摻量不斷提升，15%石粉含量機(jī)制砂混凝土比不含石粉機(jī)制砂混凝土的減水劑用量增加了60.5%，這是因?yàn)槭酆吭龃?，機(jī)制砂的總比表面積增加［21］，水泥漿體中水和減水劑的吸附性增強(qiáng)。

圖4 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響

石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖5。隨著石粉含量的增大，機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度增加，10%石粉含量的機(jī)制砂混凝土28 d抗壓強(qiáng)度最高，是河砂混凝土抗壓強(qiáng)度的106.0%。機(jī)制砂石粉填充作用和成核作用有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提升［22］；對(duì)于高吸附性的玄武巖機(jī)制砂，石粉含量增大加強(qiáng)了對(duì)漿體中自由水吸附作用，減小了新拌混凝土的有效水膠比［20］，使機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度較高。石粉含量為15%時(shí)，機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度開始略有降低，石粉超過(guò)最佳摻量可能破壞骨料的緊密堆積結(jié)構(gòu)［23］，且稀釋漿體中水泥水化產(chǎn)物濃度［24］，使?jié){-骨界面薄弱，不利于混凝土強(qiáng)度提升。高吸附性機(jī)制砂混凝土的工作性能特點(diǎn)是工作性能保持難，調(diào)整石粉含量對(duì)于經(jīng)時(shí)坍落度改善效果不明顯，但根據(jù)實(shí)際需求控制石粉含量在合理范圍內(nèi)，可以降低減水劑摻量從而達(dá)到控制生產(chǎn)成本和提升混凝土抗壓強(qiáng)度的效果。

圖5 石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 預(yù)濕機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響

預(yù)濕機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響見圖6。相同坍落度條件下，預(yù)濕機(jī)制砂混凝土和干燥機(jī)制砂混凝土的減水劑摻量分別為4.3、1.8 kg/m3。機(jī)制砂的吸水率為2.5%，采用預(yù)濕機(jī)制砂相當(dāng)于每立方米混凝土中用水量增加了20.8 kg，因此減水劑的需求量降低。預(yù)濕機(jī)制砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖7。用水量提升增大了機(jī)制砂混凝土水膠比，預(yù)濕機(jī)制砂使混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別降低了4.8%和3.5%。

圖6 預(yù)濕機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響

圖7 預(yù)濕機(jī)制砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.4 機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土性能的影響

機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土工作性能的影響見圖8。在減水劑摻量均為4.4 kg/m3的條件下，隨著機(jī)制砂替代率增大，混凝土初始坍落度降低，機(jī)制砂替代率為60%時(shí)，混凝土初始坍落度降低了14.3%；混凝土60 min坍落度隨著機(jī)制砂替代率增大呈現(xiàn)出較大程度降低，當(dāng)機(jī)制砂替代率為60%時(shí)，混凝土60 min坍落度降低了62.5%。當(dāng)機(jī)制砂替換率在30%以內(nèi)時(shí)，混凝土的工作性能與河砂混凝土相當(dāng)，此時(shí)高吸附性機(jī)制砂的負(fù)面效應(yīng)不明顯；當(dāng)機(jī)制砂替代率超過(guò)30%時(shí)，由于玄武巖機(jī)制砂的吸附作用增大，混凝土的經(jīng)時(shí)工作性能損失顯著。

圖8 機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土工作性能的影響

機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖9。機(jī)制砂替代部分河砂后，混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，替代率為10%、20%、30%、40%、50%、60%的混凝土，56 d抗壓強(qiáng)度分別提高了1.88%、2.44%、4.51%、4.89%、5.08、4.89%，這與機(jī)制砂替代部分河砂后發(fā)揮石粉填充效應(yīng)、顆粒棱角特性以及吸水效應(yīng)有關(guān)。機(jī)制砂替代率在30%以內(nèi)時(shí)不顯著影響混凝土工作性能，且能提升混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖9 機(jī)制砂替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.5 減水劑類型對(duì)混凝土性能的影響

減水劑類型對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響見圖10。機(jī)制砂混凝土的坍落度相同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑、脂肪族減水劑和萘系減水劑的摻量分別為4.3、4.2、10.0、7.5 kg/m3。由于減水劑在水泥漿體中的效應(yīng)不同，減水劑摻量的差異性較大，脂肪族減水劑和萘系減水劑的摻量顯著高于聚羧酸減水劑。采用標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑制備的機(jī)制砂混凝土60 min后已完全無(wú)工作性，原因是聚羧酸減水劑被機(jī)制砂逐漸吸附，削弱了其在混凝土中的分散作用。采用保坍型聚羧酸減水劑制備的機(jī)制砂混凝土經(jīng)時(shí)坍落度較好，60 min時(shí)坍落度為175 mm，高于河砂混凝土的60 min坍落度，這與保坍型聚羧酸減水劑在水泥水化堿性環(huán)境中不斷水解釋放保坍組分有關(guān)［25］。盡管機(jī)制砂對(duì)減水劑分子有高吸附作用，但緩釋的聚羧酸減水劑小分子能夠不斷補(bǔ)充被吸附的減水劑分子，保持了機(jī)制砂混凝土的良好工作性能。采用脂肪族減水劑和萘系減水劑制備的機(jī)制砂混凝土，60 min經(jīng)時(shí)坍落度分別為55、65 mm，優(yōu)于摻加標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑的機(jī)制砂混凝土。脂肪族減水劑和萘系減水劑的減水效能不及聚羧酸減水劑［26-27］，在大摻量條件下才能發(fā)揮良好的分散作用，機(jī)制砂吸附脂肪族減水劑和萘系減水劑分子達(dá)到飽和狀態(tài)后，剩余的減水劑分子在水泥漿體中繼續(xù)發(fā)揮減水作用，因此機(jī)制砂混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度較小但還未完全損失。綜上可知，制備經(jīng)時(shí)工作性能良好的高吸附性機(jī)制砂混凝土宜優(yōu)先選用保坍型聚羧酸減水劑。

圖10 減水劑類型對(duì)混凝土工作性能的影響

減水劑類型對(duì)機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖11。摻加標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑、脂肪族減水劑和萘系減水劑的混凝土，28 d抗壓強(qiáng)度相比河砂混凝土增大了6.0%、1.7%、3.5%、3.9%。標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑制備的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度最高，可能是減水劑分子被吸附量大，減水作用被顯著削弱，混凝土中自由水較少，致使混凝土抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大。

圖11 減水劑類型對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

1）相同減水劑摻量時(shí)，高吸附性玄武巖機(jī)制砂混凝土的工作性能與河砂混凝土相近，由于高吸附性玄武巖機(jī)制砂持續(xù)吸附水泥漿體中減水劑分子和自由水，機(jī)制砂混凝土坍落度損失顯著高于河砂混凝土。

2）降低高吸附性機(jī)制砂中石粉含量和優(yōu)化機(jī)制砂顆粒級(jí)配等傳統(tǒng)調(diào)控機(jī)制砂自身性能的方法，以及預(yù)濕機(jī)制砂的工藝調(diào)控方法，均能夠提升混凝土的初始工作性能，但對(duì)經(jīng)時(shí)工作性能的改善效果不明顯。

3）高吸附性機(jī)制砂替代30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)河砂的配合比調(diào)控方法可制備出經(jīng)時(shí)工作性能良好的混凝土；使用保坍型聚羧酸減水劑是制備替代率100%的高吸附性機(jī)制砂且經(jīng)時(shí)工作性能良好混凝土的最佳措施。