黏土顆粒對水泥凈漿及膠砂性能的影響

連業(yè)輝,周新剛,劉津成

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

骨料質(zhì)量對混凝土拌合物及硬化混凝土的性能都有顯著影響。近年來,隨著骨料資源匱乏問題越來越突出,機(jī)制砂的應(yīng)用越來越普遍,機(jī)制砂中泥粉含量對混凝土性能的影響及其控制成為改善和提高預(yù)拌混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)問題[1-5]。骨料中的泥粉,其顆粒粒徑范圍與膠材相似,可稱為微細(xì)骨料,具有填充作用。從礦物成分分析,微細(xì)骨料包含原生礦物和次生礦物兩類顆粒。所謂原生礦物即原巖破碎或風(fēng)化形成的微細(xì)顆粒,其成分與原巖相同,如石灰石粉;而次生礦物則是原生礦物經(jīng)過漫長的化學(xué)變化而形成的新的礦物,如黏土。微細(xì)骨料中原生礦物成分屬于惰性填充材料,對混凝土的性能影響小;次生礦物成分則較為復(fù)雜,屬于微細(xì)的(粒徑一般小于2 μm)層狀硅酸鹽礦物,主要有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石等[6-8]。黏粒對混凝土也有填充作用,但受其晶體結(jié)構(gòu)、形貌特征、顆粒粒徑、帶電性等影響,對混凝土拌合物性能的影響顯著[9-15]。已有研究大多是關(guān)于黏粒的吸水特性及其對外加劑的吸附性[16-21],本文主要研究蒙脫土、高嶺土及伊利土等典型黏粒對凈漿流動(dòng)度及膠砂強(qiáng)度的影響,分析比較不同黏粒及其摻量對凈漿流動(dòng)性及膠砂強(qiáng)度的影響程度。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用原材料

水泥為P·O42.5水泥;砂為ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;減水劑為聚羧酸減水劑,固含量為10%,按《GB8076—2008混凝土外加劑》[22]標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)其減水率為25%;黏土分別為蒙脫土、高嶺土和伊利土。蒙脫土和高嶺土選擇三種細(xì)度,分別為325目、600目和1250目;伊利土選擇一種細(xì)度,為325目。實(shí)驗(yàn)用水泥、蒙脫土、高嶺土和伊利土的SEM微觀形貌特征見圖1。由圖片可見,蒙脫土顆粒表面具有絮狀結(jié)構(gòu),高嶺土為片狀顆粒,表面有少量細(xì)小顆粒,伊利石為棱角較多的多面體,但表面無細(xì)小顆粒或絮狀結(jié)構(gòu),水泥為多面體顆粒,顆粒粒徑的連續(xù)性較好。

圖1 325目蒙脫土、325目高嶺土、325目伊利土與水泥顆粒SEM圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文主要通過凈漿流動(dòng)度試驗(yàn),研究不同種類的黏粒及其不同細(xì)度與摻量對凈漿流動(dòng)度的影響。流動(dòng)度試驗(yàn)分兩大組,一組不加聚羧酸外加劑,其水膠比為0.5,流動(dòng)度試驗(yàn)凈漿配比見表1;一組加1.5 g聚羧酸外加劑,其水膠比為0.375,流動(dòng)度試驗(yàn)凈漿配比見表2。在每一大組中都包括一組空白試件,即不加黏粒。蒙脫土顆粒表面具有絮狀結(jié)構(gòu),雙電層作用更顯著,對水和外加劑的吸附性更強(qiáng)[23],其摻量設(shè)計(jì)為0.1%～2.0%,高嶺土和伊利土的摻量都設(shè)計(jì)為1.0%～5.0%。

表1 無聚羧酸減水劑水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)配比

表2 含聚羧酸減水劑水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)配比

通過膠砂強(qiáng)度試驗(yàn),研究膠砂強(qiáng)度隨黏粒種類及含量的變化情況,分析比較黏粒種類及含量對強(qiáng)度的影響規(guī)律,膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)的配比見表3,蒙脫土、高嶺土和伊利土的摻量都設(shè)計(jì)為2%～6%。

表3 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)配比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凈漿流動(dòng)度

由圖2與圖3可以看出,在無外加劑的情況下,凈漿流動(dòng)度隨蒙脫土摻量的增加而降低。其中,摻325目的蒙脫土下降幅度最大,當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí),其流動(dòng)度下降24.3%;摻600和1250目的蒙脫土下降幅度基本相似,當(dāng)摻量達(dá)2%時(shí),流動(dòng)度下降幅度8%左右。摻高嶺土和伊利土,在各種細(xì)度情況下,其流動(dòng)度雖也有下降,但并不明顯,特別是伊利土,在摻量2%以內(nèi),其流動(dòng)度基本沒有變化。

圖2 未添加減水劑蒙脫土不同含量凈漿流動(dòng)度

圖3 未添加減水劑高嶺土與伊利土不同含量凈漿流動(dòng)度

摻加外加劑,水膠比從0.5降至0.375,在沒有摻加黏粒的情況下,其流動(dòng)度控制在200 mm。然后分別摻加不同比例、不同種類的黏粒,研究其流動(dòng)度變化,試驗(yàn)結(jié)果見圖4和圖5。圖4表明,在使用外加劑,水膠比相對較小的情況下,隨蒙脫土摻量的增加,其流動(dòng)度降低十分顯著。當(dāng)蒙脫土為325目,摻量為2%時(shí),流動(dòng)度降低幅度超過70%;1250目時(shí),降低幅度超過50%;600目時(shí),降低幅度超過35%。相對于蒙脫土,高嶺土降低幅度相對較小,但也比無外加劑、水膠比高的情況,降低幅度更為明顯。其中325目和1250目高嶺土,當(dāng)摻量達(dá)到2%,下降幅度約為10%;當(dāng)摻量達(dá)到5%時(shí),下降幅度約為17.5%。600目的下降規(guī)律與其他細(xì)度的相同,但下降幅度略小,摻量2%時(shí),下降幅度約為5%;摻量5%時(shí),下降幅度約為13%。伊利土在摻量1%～3%時(shí),略有下降,但摻量增加到5%時(shí),流動(dòng)度不僅不降低,反而略有增高,說明在有外加劑的情況,即使水膠比比較低,伊利土對流動(dòng)度也基本沒有影響。

圖4 添加減水劑蒙脫土不同含量凈漿流動(dòng)度

以上試驗(yàn)表明,蒙脫土對水泥凈漿流動(dòng)度的影響最為明顯,其次為高嶺土,而伊利土則基本沒有影響。在使用外加劑,水膠比較小的情況下,蒙脫土的影響非常顯著,摻量2%時(shí),流動(dòng)度就有大幅度降低,尤其是目數(shù)為325的蒙脫土,降低幅度超過70%。從顆粒形貌特征看,相對較粗的顆粒,其表面有更多的絮狀結(jié)構(gòu),對水和外加劑的吸附作用更強(qiáng),因此,顆粒較粗時(shí),流動(dòng)度降低幅度更大。在水膠比較小的情況下,高嶺土的流動(dòng)度隨摻量的增加也明顯降低,但相比蒙脫土,其降低幅度則較小。摻量為2%,其降低幅度約為5%,只是同等含量蒙脫土降低幅度的10%左右;摻量達(dá)到5%,降低幅度17.5%左右,也只有摻量2%蒙脫土的25%左右。從形貌特征看,高嶺土為片狀結(jié)構(gòu),表面只有較少的細(xì)顆粒,無絮狀結(jié)構(gòu),因此,對水和外加劑的吸附作用都較小。伊利土表面基本為光滑的多棱角致密結(jié)構(gòu),其對水和外加劑的吸附作用都較微小,因此在有無外加劑的情況下,其流動(dòng)度基本都保持不變。

圖5 添加減水劑高嶺土與伊利土不同含量凈漿流動(dòng)度

在摻入蒙脫土或高嶺土后凈漿的流動(dòng)度下降可以認(rèn)為是部分本應(yīng)是被水泥吸附的聚羧酸減水劑被黏粒吸附走,使水泥顆粒表面的有效聚羧酸減水劑顆粒減少,從而加大了凈漿的需水量,并且黏粒會對水也有一定的吸附作用,所以在相同的水膠比的情況下,摻入黏粒的凈漿流動(dòng)度會下降。而黏粒的種類、細(xì)度以及含量對水或外加劑的吸附作用均不同,導(dǎo)致了不同凈漿試驗(yàn)的變化規(guī)律不同。

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證蒙脫土細(xì)度和摻量對含有外加劑凈漿流動(dòng)度的影響,以達(dá)到相同流動(dòng)度所需的用水量為參數(shù),研究用水量隨蒙脫土及其細(xì)度的變化規(guī)律。試驗(yàn)配比見表4,試驗(yàn)中設(shè)定流動(dòng)度為200 mm,圖6為試驗(yàn)結(jié)果。由圖可見,三種細(xì)度的蒙脫土顆粒,隨著摻量的增加,達(dá)到相同流動(dòng)度的用水量基本呈線性增加。其中325目和1250目的摻量在0.5%以下增長較快;含量0.5%時(shí),相對空白試件,用水量增加20%左右,而600目的用水量增長10%左右。含量0.5%～1.5%,各種細(xì)度的增長率基本相同;含量超過1.5%,600目和1250目的增長率略有降低,而325目的仍保持原有的增長率繼續(xù)增長。含量為2%時(shí),325目的用水量增加45%左右,1250目的增加40%左右,600目的增加30%左右。

表4 等水泥凈漿流動(dòng)度需水試驗(yàn)配比

圖6 等流動(dòng)度(200±5mm)下的含泥量與需水量關(guān)系

2.2 膠砂抗壓強(qiáng)度

從圖7—9可以看出蒙脫土含量低于2%時(shí),7 d強(qiáng)度比空白試件略有增高,增高7%左右,摻量超過2%,7 d強(qiáng)度略有降低,降低了3%左右。高嶺土與伊利土,在摻量小于6%時(shí),試件的7 d強(qiáng)度相比空白試件強(qiáng)度有所提高,最大提高了13%。蒙脫土含量低于4%,高嶺土與伊利土含量低于6%時(shí),14 d強(qiáng)度比空白試件強(qiáng)度均有降低,最大降幅為14%,最小降幅為2%。在膠砂28 d與60 d后期強(qiáng)度中,蒙脫土含量低于4%時(shí),28 d強(qiáng)度比空白試件略有降低,最大降幅為7%。高嶺土在含量2%、伊利土在含量為2%或6%時(shí),28 d強(qiáng)度略低于空白試件,但最大降幅也只有5%,而高嶺土在含量為4%與6%、伊利土在含量為4%時(shí),28 d強(qiáng)度要高于空白試件,但最大提升幅度只有0.7%。蒙脫土含量低于4%,高嶺土與伊利土含量低于6%,60 d強(qiáng)度比空白試件強(qiáng)度均有降低,平均降幅為10%,并且下降幅度與試件14 d強(qiáng)度相比于空白試件的下降幅度持平,均為10%?？偟膩碚f摻三種黏粒的膠砂后期強(qiáng)度基本都較空白試件低。

圖7 325目蒙脫土對膠砂強(qiáng)度影響

圖8 325目高嶺土對膠砂強(qiáng)度影響

圖9 325目伊利土對膠砂強(qiáng)度影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證黏土細(xì)度對膠砂強(qiáng)度是否有影響,將325目、600目與1250目蒙脫土分別按照表3中的蒙脫土含量配比摻入膠砂中,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,蒙脫土在含量小于4%時(shí),不同細(xì)度蒙脫土的7 d強(qiáng)度與14 d強(qiáng)度變化趨勢基本保持一致,并沒有明顯變化。325目與1250目蒙脫土含量小于4%時(shí), 28 d與60 d強(qiáng)度變化趨勢基本保持一致,而600目蒙脫土在摻量為4%時(shí),28 d與60 d強(qiáng)度變化趨勢與325目與1250目蒙脫土略有不同,28 d強(qiáng)度略有提高,相比于325目提高了約12%,而60 d強(qiáng)度有所降低,相比于325目下降了約18%,但總體呈下降趨勢。

圖10 不同目數(shù)蒙脫土對膠砂強(qiáng)度影響

膠砂在摻入黏粒后最終強(qiáng)度會有所降低，可以認(rèn)為是黏粒會對膠砂中的拌合水進(jìn)行吸附,從而降低了膠砂的流動(dòng)度,而且黏粒對拌合水的吸附會形成黏粒集合,這些黏粒集合較為松散,進(jìn)而降低了膠砂的密實(shí)度,從而導(dǎo)致了摻入黏粒的膠砂的最終強(qiáng)度有所降低。

3 結(jié) 論

水泥凈漿流動(dòng)度及膠砂強(qiáng)度與黏粒種類、細(xì)度、摻量有關(guān),也與水膠比有關(guān)。蒙脫土對凈漿流動(dòng)的影響最為顯著,在無外加劑水膠比0.5的情況下,細(xì)度為325目的蒙脫土在摻量2%時(shí),可使水泥凈漿流動(dòng)度下降24.3%;而在使用外加劑水膠比0.375的情況下,同等細(xì)度和摻量,下降幅度則超過70%。其他細(xì)度的蒙脫土雖然對凈漿流動(dòng)度也有明顯影響,最大降幅為36%,但相對325目超過70%的降幅影響程度明顯降低。伊利土無論在有無外加劑的情況下,即使摻量達(dá)到5%,也基本對凈漿流動(dòng)度無影響。高嶺土只有在摻外加劑、水膠比較小且摻量較高的情況下，凈漿流動(dòng)度才有17.5%的降低,其他情況影響也較小。

蒙脫土摻量低于2%時(shí),其7 d膠砂強(qiáng)度比空白試件略高,增高7%左右,但摻量超過2%則略有降低,降低了3%左右。高嶺土和伊利土摻量小于6%時(shí),7 d膠砂強(qiáng)度略高,最大增幅為13%。摻三種黏土的28 d膠砂強(qiáng)度與空白試件相比基本保持一致,最大升幅度只有0.7%,最大降幅也只有5%,平均變化幅度為降低約3%,而60 d強(qiáng)度則均有所降低,平均降幅為10%。這種強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律與黏粒的細(xì)度沒有明顯的關(guān)系。

機(jī)制砂中的微細(xì)顆粒,是多種原生和次生礦物的混合體。其各種礦物成分的含量不同,對混凝土拌合物流動(dòng)性及硬化后混凝土強(qiáng)度的影響也不同。