循環(huán)水洗機制砂殘留絮凝劑對混凝土性能的影響

孟慶超，毛永琳，張建綱，周棟梁，楊勇，王濤

（1.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103；2.江蘇省功能性聚醚工程技術研究中心，南京博特新材料有限公司，江蘇 南京 210047）

0 引言

隨著環(huán)保管控，開采量下降使天然砂產量嚴重不能滿足建筑需求，機制砂已成商品混凝土生產的主要原材料[1]。機制砂在生產過程中產生大量石粉，并很可能混入少量泥粉，兩者對混凝土性能有一定的負面影響[2-3]，需采取措施控制機制砂中石粉和泥粉含量。采用水洗方式去除機制砂中過多的石粉和泥粉是制砂企業(yè)常用工藝，但會產生大量的洗砂污水。為不污染環(huán)境，制砂企業(yè)通常采用添加絮凝劑的方式處理洗砂污水，并將上層清水再次循環(huán)洗砂，使一定數量的絮凝劑殘存于機制砂顆粒表面和機制砂所含水分中。

聚丙烯酰胺（PAM）廣泛用于洗砂污水絮凝劑。循環(huán)水洗機制砂中絮凝劑的殘留累積，是否會造成混凝土性能變化是混凝土生產企業(yè)待解決的問題。我國采用循環(huán)水洗機制砂工藝從近5年陸續(xù)盛行，行業(yè)對此問題的研究相對較少。少量的文獻主要集中于聚丙烯酰胺對水泥基材料流動性的影響。彭文彬等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當聚丙烯酰胺絮凝劑含量大于0.01%后，水泥砂漿的流動性隨絮凝劑摻量增加而逐漸降低。吳井志等[4]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺絮凝劑使水泥凈漿流動度降低，其中陽離子聚丙烯酰胺劣化水泥漿體流動性的效能最大。馮偉康等[5]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺絮凝劑在機制砂中殘留量大于0.05%后，混凝土流動度損失增大。楊林和李從號[6]采用高摻量聚丙烯酰胺（占膠凝材料質量的0.003%～0.08%）測試了其對水泥凈漿、混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺劣化水泥基材料流動性，同時高摻量聚丙烯酰胺使混凝土強度降低。

循環(huán)水洗機制砂中可溶出的聚丙烯酰胺殘留量處于0.0002%～0.0020%（按占機制砂質量計）?，F(xiàn)有研究測試聚丙烯酰胺含量往往較實際高出10～100倍，使行業(yè)對絮凝劑殘留問題過度設防。且研究多關注絮凝劑對混凝土流動性影響，而忽視混凝土其它性能可能發(fā)生的變化。本文從循環(huán)水洗機制砂生產實際出發(fā)，以聚丙烯酰胺常見殘留量為考察摻量，探討殘留聚丙烯酰胺對混凝土拌合物性能以及硬化性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：馬鞍山海螺水泥有限責任公司產海螺牌P·O42.5水泥，采用XRD內標法測得其礦物組成如表1所示，水泥的物理力學性能如表2所示。

表1 水泥的礦物組成 %

表2 水泥的物理力學性能

粉煤灰：南京華能粉煤灰有限公司，F(xiàn)類Ⅱ級，需水量比95%，45μm篩篩余10.5%，燒失量1.35%。

礦粉：南京梅山海強新型建材有限公司，S95級，活性指數97%，比表面積455 m2/kg，流動度比99%，SO3含量0.86%。

聚丙烯酰胺：愛森（中國）絮凝劑有限公司產，粉末狀，陰離子型，離子度25%，相對分子質量1800×104。使用時，需提前24 h與蒸餾水配制成0.1%濃度的水溶液。

砂：為能夠精準計量絮凝劑殘留數量，采用了零絮凝劑殘留的干法生產機制砂，細度模數2.7，石粉含量7.1%，MB值0.8 g/kg，表觀密度2690 kg/m3，空隙率42%，顆粒級配見圖1。再使用濃度分別為0、0.005%、0.010%、0.020%、0.050%的聚丙烯酰胺水溶液，按溶液與機制砂的質量比為1∶10混合制拌成絮凝劑殘留量分別為0、0.0005%、0.0010%、0.0020%、0.0050%的含水率為10%的石灰?guī)r機制砂。上述步驟需在混凝土拌合試驗開始前（24±2）h進行。

石：5～25 mm連續(xù)級配玄武巖碎石，表觀密度2930 kg/m3，空隙率44%。

減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產緩凝型聚羧酸高性能減水劑（PCA），含固量16%，按GB 8076—2008《混凝土外加劑》參數，摻量1.0%時混凝土減水率為27.1%，初凝時間差+135 min，終凝時間差+120 min。

1.2 實驗方法

機制砂MB值測試：參照GB/T 14684—2011《建設用砂》進行。其中含水率為10%的濕機制砂不進行烘干處理，直接稱取220 g，而燒杯中預盛水量調整為（480±5）ml。

混凝土拌合物施工性能測試：采用商用C30混凝土，配合比見表3。石灰?guī)r機制砂中絮凝劑含量設計為0、0.0005%、0.0010%、0.0020%、0.0050%，編號分別為C30-ref、C30-PAM、C30-PAM10、C30-PAM20、C30-PAM50?；炷涟韬衔锏奶涠取U展度、含氣量、倒置坍落度筒排空時間（倒筒時間）、泌水率和凝結時間參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

表3 混凝土生產配合比 kg/m3

硬化混凝土性能測試：混凝土抗壓和抗折強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試；混凝土干燥收縮測試和電通量參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行測試，考慮到C30混凝土的電通量較高，數據離散性較大，不利于比較聚丙烯酰胺對其性能的影響差異，本次試驗選取齡期為成型后標準養(yǎng)護180 d。

2 結果與討論

2.1 不同聚丙烯酰胺殘留量機制砂MB值的變化規(guī)律

機制砂MB值是評價其吸附能力的關鍵指標。循環(huán)水洗機制砂殘留聚丙烯酰胺絮凝劑對機制砂MB值的影響見表4。

表4 聚丙烯酰胺殘留量對機制砂MB值的影響

由表4可見，隨著聚丙烯酰胺殘留量增加，機制砂MB值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但很顯然在本實驗測試的范圍內，機制砂MB值波動幅度很小，從工程應用實踐角度可忽略。本實驗石灰?guī)r機制砂MB值小，含泥少，聚丙烯酰胺可吸附的絕大部分為純石灰?guī)r石粉，石粉吸附絮凝，減少裸露表面，有使MB值小幅下降的趨勢。

2.2 不同聚丙烯酰胺殘留量機制砂對混凝土施工性能的影響（見表5）

表5 不同聚丙烯酰胺殘留量機制砂對混凝土拌合物施工性能的影響

由表5可見：

（1）隨著聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量的增加，混凝土拌合物初始流動性下降，通過提高聚羧酸高性能減水劑用量，可實現(xiàn)混凝土初始流動性接近一致，這種方案目前在實踐中被廣泛采用。比較聚丙烯酰胺殘留量與減水劑對應增量，兩者基本呈一元線性正相關，減水劑用量隨聚丙烯酰胺殘留量的增量系數約0.26（kg/m3）/[PAM（0.001%）]。

（2）在提高減水劑用量的前提下，隨著聚丙烯酰胺殘留量的增加，混凝土拌合物和易性提高（見圖2），混凝土含氣量增大，泌水減少，倒筒時間延長。殘留于機制砂中的聚丙烯酰胺在混凝土拌合物中發(fā)揮了增稠、保水、引氣作用，改善混凝土拌合物和易性，但同時也提高了混凝土拌合物的黏度，使混凝土拌合物在自身重力作用下的流速變慢。

（3）在提高減水劑用量的前提下，機制砂中聚丙烯酰胺殘留量對混凝土拌合物的2 h流動性損失無顯著影響，但對攪拌結束后到0.5 h時間段內混凝土流動性有抑制作用。Hela等[7]認為，聚丙烯酰胺通過吸附大量水泥顆粒形成纏繞顆粒團，使混凝土屈服應力提高，流動性下降，但這一機制在頻繁剪切攪拌工況下會逐漸失效，即聚丙烯酰胺吸附水泥顆粒能力隨攪拌次數和時間的延長而降低。含聚丙烯酰胺的機制砂混凝土拌合物早期流動性不佳，攪拌次數增多后，中后期流動性恢復的表現(xiàn)與其相符。

（4）在提高減水劑用量的前提下，機制砂混凝土凝結時間延長，應主要歸因于使用的緩凝型聚羧酸高性能減水劑，不宜直接建立聚丙烯酰胺殘留量與混凝土拌合物緩凝之間的關系。

2.3 不同聚丙烯酰胺殘留量機制砂對硬化混凝土性能的影響（見表6）

表6 循環(huán)水洗機制砂殘留聚丙烯酰胺絮凝劑對硬化混凝土性能的影響

由表6可見：

（1）機制砂中聚丙烯酰胺殘留量對混凝土的抗壓、抗折強度未見顯著不良影響，C30-PAM20和C30-PAM50組的強度略有下降，應該與對應組別的混凝土含氣量略高有關，所以在使用聚丙烯酰胺絮凝劑殘留的機制砂時，為提高強度保證率，應采用措施調控混凝土的含氣量至常規(guī)范疇。文獻[6]指出，聚丙烯酰胺顯著降低混凝土力學強度的測試條件是其用量為0.010%～0.080%時，為實際循環(huán)水洗機制砂中絮凝劑殘留量的4～20倍，與實際應用情況有較大差距。

（2）機制砂中聚丙烯酰胺殘留量未見對混凝土的56 d電通量有顯著影響。隨機制砂中聚丙烯酰胺殘留量的增加，混凝土的56 d電通量略有下降，但下降幅度小于3%。隨著機制砂中殘留的聚丙烯酰胺含量的增加，混凝土的和易性明顯改善，混凝土拌合物含氣量提高1.1～2.5個百分點，有利于硬化混凝土內部骨料均勻分布，提高水泥漿體的抗?jié)B透性，使相應組別混凝土的56 d電通量略有降低。

循環(huán)水洗機制砂殘留聚丙烯酰胺絮凝劑對硬化混凝土干燥收縮率的影響見圖3。

由圖3可見，機制砂中聚丙烯酰胺殘留量對混凝土的干燥收縮沒有顯著影響。與基準組相比，4組混凝土同期干燥收縮率的波動范圍小于10%，說明聚丙烯酰胺絮凝劑與混凝土干燥收縮之間無顯著相關性，且在7 d測試齡期內，聚丙烯酰胺絮凝劑殘留組別混凝土干燥收縮較對比組更低，所以聚丙烯酰胺在機制砂中殘留不會增大機制砂混凝土的收縮開裂風險。

3 結論

根據循環(huán)水洗機制砂常見絮凝劑種類及殘留量，本研究控制石灰?guī)r機制砂中聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量為0.0005%～0.0050%，在此前提下研究發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著機制砂中聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量的增加，混凝土拌合物初始流動性下降，提高聚羧酸高性能減水劑用量，可實現(xiàn)混凝土初始流動性接近一致。同時混凝土拌合物含氣量增加，需采取措施調控，減少對抗壓強度的不利影響?；炷涟韬衔锖鸵仔院捅Ｋ詢?yōu)化，但拌合物黏度略有增加。

（2）機制砂中聚丙烯酰胺殘留量未見對機制砂MB值、硬化混凝土力學性能、干燥收縮率、56 d電通量等有顯著影響。在循環(huán)水洗機制砂實際應用過程中可不必過度采取措施防范，減少不必要浪費。