不同機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響及改善措施

王玉乾 Serina Ng* 劉 磊 Mirko Cruber 王進(jìn)春

1.石家莊市長(zhǎng)安育才建材有限公司 河北石家莊 051530；2.河北省混凝土用功能性材料工程技術(shù)研究中心 河北石家莊 051530；3.河北省建筑化學(xué)添加劑產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院 河北石家莊 051530；4.四川砼道科技有限公司 四川成都 611139

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，河道不斷開采，天然砂資源日益短缺，機(jī)制砂已經(jīng)是制備混凝土常用的材料之一[1-3]。質(zhì)量?jī)?yōu)異，級(jí)配良好的機(jī)制砂可制備出性能優(yōu)良的混凝土[4-6]。但目前市場(chǎng)上機(jī)制砂質(zhì)量參差不齊，大量機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)陋、控制不嚴(yán)格，所制砂質(zhì)量存在問(wèn)題，主要包括細(xì)度模數(shù)過(guò)大、粗顆粒過(guò)多、級(jí)配不合理、形貌差、亞甲藍(lán)值過(guò)高、石粉含量過(guò)多等，這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響混凝土的工作性能，使得混凝土施工困難[7-9]。本文結(jié)合項(xiàng)目案例，闡述不同機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能的影響，分析影響原因，并提出相應(yīng)的改善措施。

1 工程案例

1.1 案例一

四川涼山州某工程項(xiàng)目，面臨機(jī)制砂過(guò)粗問(wèn)題。該項(xiàng)目機(jī)制砂由當(dāng)?shù)啬成皬S提供，其顆粒級(jí)配如表1與圖1所示。

表1 機(jī)制砂粒徑分布

圖1 機(jī)制砂顆粒級(jí)配部分

通過(guò)公式(1)計(jì)算該砂的細(xì)度模數(shù)：

=3.5

(1)

結(jié)合國(guó)標(biāo)《GB/T14684-2011建設(shè)用砂》，由表1、圖1以及公式1可以得出，該機(jī)制砂屬于I區(qū)粗砂，2.36mm和1.18mm處的篩余嚴(yán)重偏多，存在明顯粗顆粒多、細(xì)顆粒少的現(xiàn)象。用該機(jī)制砂所制混凝土狀態(tài)如圖2，混凝土配合比如表2，混凝土外加劑配方如表3。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

表3 外加劑配方(kg/t)

圖2 混凝土狀態(tài)

從圖2可知，該機(jī)制砂所制混凝土包裹性差、露石多、表面泌水嚴(yán)重，這是粗砂混凝土常見的現(xiàn)象，主要由于該砂粗顆粒過(guò)多、細(xì)顆粒較少，導(dǎo)致混凝土級(jí)配不合理，空隙率大，沒(méi)有足夠的漿體包裹石子以及鎖住自由水。

針對(duì)上述問(wèn)題我們的調(diào)整思路主要包括兩點(diǎn)：混凝土配合比和外加劑，具體如下：

(1)配合比調(diào)整：由于項(xiàng)目要求不能對(duì)膠凝材料和用水量進(jìn)行改變，因此我們調(diào)整混凝土的砂率，將砂率從43%提高到46%，這也是粗砂的常見調(diào)整思路，調(diào)整后混凝土配合比如表4，混凝土狀態(tài)如圖3。

表4 混凝土配合比(kg/m3)

圖3 混凝土狀態(tài)

由圖3可知，調(diào)整配合比后，混凝土工作性能有所改善，露石明顯減少，主要原因?yàn)樯奥侍岣?，混凝土中砂漿含量提高，石子含量降低，有更多的砂漿對(duì)石子進(jìn)行包裹，因此露石現(xiàn)象得以改善，但仍沒(méi)有完全解決，且混凝土表面依然存在泌水現(xiàn)象。

(2)外加劑調(diào)整：針對(duì)混凝土保水性差的問(wèn)題，解決思路為增加增稠保水劑組分的用量，提高混凝土的黏聚性，使得水分不易流失；針對(duì)包裹性差的問(wèn)題，通過(guò)提高引氣劑用量，增加漿體體積來(lái)改善，但需要注意保證混凝土含氣量在控制指標(biāo)內(nèi)；其次，通過(guò)使用更多的糖做緩凝劑也可以提高混凝土的黏聚性，鑒于此調(diào)整混凝土外加劑配方如表5。

表5 外加劑配方(kg/t)

依然采用表4作為混凝土配合比，使用表5的外加劑進(jìn)行混凝土試配，混凝土狀態(tài)如圖4。

圖4 混凝土狀態(tài)

由圖4可知，當(dāng)提高砂率，同時(shí)調(diào)整外加劑配方后，混凝土工作性良好，無(wú)明顯露石和泌水現(xiàn)象，混凝土工作性得到改善的主要原因?yàn)榛炷琉ぞ坌蕴岣吆蜐{體體積增加。同時(shí)對(duì)混凝土容重與含氣量進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)容重為2409kg/m3，含氣量為3.0%，混凝土容重和含氣量均在控制范圍內(nèi)。因此通過(guò)對(duì)混凝土配合比和外加劑的同時(shí)調(diào)整，成功改善了粗砂混凝土的工作性能。

1.2 案例二

重慶某商混公司砂含粉量過(guò)高問(wèn)題。該項(xiàng)目機(jī)制砂由當(dāng)?shù)啬成皬S提供，其顆粒級(jí)配如表6與圖5，其他指標(biāo)如表7。

表6 機(jī)制砂粒徑分布

表7 物理指標(biāo)

圖5 機(jī)制砂顆粒級(jí)配部分

由表6、表7和圖5可知，該機(jī)制砂為中砂，顆粒級(jí)配中0.3mm及以下的顆粒含量過(guò)多，且石粉含量極高，用該機(jī)制砂所制混凝土技術(shù)性能如表10，其中混凝土配合比如表8，外加劑配方如表9。

表8 混凝土配合比(kg/m3)

表9 外加劑配方(kg/t)

表10 混凝土性能

該項(xiàng)目所制混凝土為C40泵送混凝土，由試驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)此機(jī)制砂所制混凝土流動(dòng)性一般，倒提排空時(shí)間為29.8s，可見流速非常慢。此混凝土很難用于泵送，主要原因?yàn)樵摍C(jī)制砂含粉量過(guò)高。相對(duì)于砂粒，石粉顆粒小，比表面積大，吸水量高，同時(shí)還吸附外加劑，當(dāng)砂中含有大量石粉時(shí)，部分拌和水和外加劑被石粉吸附，因此可導(dǎo)致混凝土外加劑摻量高、流動(dòng)性差、黏度高、流速慢等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

針對(duì)上述問(wèn)題，分別從混凝土配合比和外加劑兩方面進(jìn)行調(diào)整，首先從混凝土配合比方面調(diào)整，由于該混凝土存在問(wèn)題是由砂中石粉含量過(guò)高引起，因此可以考慮適當(dāng)降低砂率(降低砂用量，提高石子用量)，這樣可以降低混凝土中石粉總量，但要注意若砂率太低，砂漿量不夠，也會(huì)影響混凝土工作性能，針對(duì)該項(xiàng)目，我們將混凝土砂率由43%降低到40%，調(diào)整后的混凝土配合比如表11。

表11 混凝土配合比(kg/m3)

針對(duì)混凝土黏度過(guò)高問(wèn)題，從外加劑方面調(diào)整，可以嘗試提高引氣劑用量，不使用糖作為緩凝劑。也可以保持其他不變，用降粘型聚羧酸減水劑替代常規(guī)聚羧酸減水劑，進(jìn)行外加劑復(fù)配。針對(duì)該項(xiàng)目，我們分別嘗試上述兩種方法配制混凝土外加劑，外加劑配方如表12。

表12 外加劑配方(kg/t)

通過(guò)表8配合比和表9外加劑進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表13。

表13 混凝土性能

由表13可知，調(diào)整配合比和外加劑配方后混凝土流動(dòng)性提高，外加劑摻量降低，倒提排空時(shí)間大幅降低，流速加快，混凝土工作性能得到明顯改善，該混凝土可容易進(jìn)行泵送。因此針對(duì)混凝土發(fā)黏問(wèn)題，可采取改變混凝土砂率，調(diào)整減水劑類型，調(diào)整外加劑中緩凝劑、引氣類型和用量等手段。

1.3 案例三

重慶某公路項(xiàng)目機(jī)制砂亞甲藍(lán)值(MB值)過(guò)高問(wèn)題。該項(xiàng)目機(jī)制砂由當(dāng)?shù)啬成皬S提供，其顆粒級(jí)配如表14與圖6，其他指標(biāo)如表15。

表14 機(jī)制砂粒徑分布

表15 物理指標(biāo)

圖6 機(jī)制砂顆粒級(jí)配部分

由圖6和表14、表15可知，該機(jī)制砂級(jí)配良好，屬于2區(qū)中砂，但MB值過(guò)高，MB值是判斷機(jī)制砂中小于0.075mm顆粒的主要成分是黏土還是石粉，當(dāng)MB值≤1.4時(shí)，機(jī)制砂中0.075mm顆粒主要為石粉，當(dāng)MB值>1.4時(shí)，機(jī)制砂中0.075mm顆粒主要為黏土。該項(xiàng)目所用機(jī)制砂MB值為2.2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.4，說(shuō)明該機(jī)制砂含泥量非常大。黏土是一種層狀結(jié)構(gòu)可吸水膨脹的物質(zhì)，當(dāng)其摻入混凝土?xí)r，會(huì)對(duì)混凝土中的減水劑和自由水進(jìn)行吸附，使得作用于水泥顆粒的外加劑和拌和水不足，從而導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)流動(dòng)性差、坍落度損失快、外加劑摻量高等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土的工作性能。

該機(jī)制砂在此項(xiàng)目混凝土中使用后，混凝土性能如表18所示，其中混凝土配合比如表16，外加劑配方如表17。

表16 混凝土配合比(kg/m3)

表17 外加劑配方(kg/t)

表18 混凝土性能

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，使用高M(jìn)B值機(jī)制砂后，混凝土流動(dòng)性差，損失快，通過(guò)提高外加劑摻量可以滿足混凝土出機(jī)具有良好的流動(dòng)性，但損失快的問(wèn)題仍然無(wú)法解決，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)闄C(jī)制砂中黏土對(duì)外加劑和拌和水的吸附。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們依然從混凝土配合比和外加劑配方兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整。配合比方面，因?yàn)樵诔苫炷链嬖趩?wèn)題的原因?yàn)樯爸械酿ね?，如果減少砂的用量，黏土的量也會(huì)降低，因此我們可以通過(guò)降低砂率調(diào)整配合比，但砂率不能降低太多，否則砂漿不夠會(huì)影響混凝土的工作性，該項(xiàng)目中我們將砂率由45%降低到43%，配合比如表19。外加劑方面針對(duì)混凝土出機(jī)流動(dòng)性差的問(wèn)題，我們?cè)黾油饧觿┲袦p水劑的組分，針對(duì)混凝土損失快的問(wèn)題我們?cè)黾颖Ｌ畡┑慕M分。其次，我們?cè)谕饧觿┲幸肟鼓嘟M分，該組分可抑制混凝土吸水膨脹，從而減弱其對(duì)混凝土的影響，調(diào)整后的外加劑配方如表20。通過(guò)上述配合比與外加劑進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表21。

表19 混凝土配合比(kg/m3)

表20 外加劑配方(kg/t)

表21 混凝土性能

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)配合比調(diào)整后，外加劑摻量不變，混凝土流動(dòng)性和損失均得到改善，混凝土工作性良好。因此針對(duì)機(jī)制砂MB值較高的問(wèn)題，可以通過(guò)降低砂率、提高減水劑和保坍劑的用量以及添加抗泥劑的手段進(jìn)行改善。

2 結(jié)論

(1)目前大量工程項(xiàng)目上所用的機(jī)制砂，由于生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備簡(jiǎn)陋、控制不嚴(yán)格，所制機(jī)制砂存在顆粒較粗、級(jí)配不合理、粒型差、含粉量過(guò)高、亞甲藍(lán)值過(guò)高等問(wèn)題，嚴(yán)重影響混凝土的工作性能。

(2)針對(duì)質(zhì)量較差的機(jī)制砂混凝土，通過(guò)混凝土配合比和外加劑調(diào)整可有效改善混凝土的工作性能。