微骨料對水泥漿體工作性及其經(jīng)時穩(wěn)定性的影響

劉津成,周新剛,連業(yè)輝

(煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005)

隨著砂石資源的匱乏及機制砂、混合砂的廣泛應(yīng)用,砂石質(zhì)量控制成為預(yù)拌混凝土行業(yè)面臨的重大問題與挑戰(zhàn)。預(yù)拌混凝土用砂石有很多質(zhì)量要求及其控制指標(biāo),其中泥粉含量是十分重要的質(zhì)量控制指標(biāo)。泥粉不僅影響混凝土拌合物的性能,也影響硬化混凝土的性能。很多研究者在泥粉的性質(zhì)、泥粉對水及外加劑的吸附作用及其機理等方面做了大量的研究[1-6]。然而實際骨料中的微細(xì)顆粒成分十分復(fù)雜,并非單純的微細(xì)黏粒-泥粉。骨料中小于75 μm的微細(xì)顆粒的礦物成分,既有與母巖性質(zhì)相同的原生礦物-石粉,也有經(jīng)多種風(fēng)化作用的次生礦物-泥粉。石粉主要是碳酸鹽或硅酸鹽類礦物粉碎后形成的微細(xì)顆粒,它在混凝土中具有填充作用,對水及外加劑的吸附作用很小,對混凝土性能的影響也不大,如考慮其填充和晶核作用,還有有利的一面[7]。泥粉是次生礦物,由硅氧四面體和鋁氧八面體組成[8-9]。不同的構(gòu)建方式,形成不同性質(zhì)的黏粒,如蒙脫土(石)、高嶺土(石)和伊利土(石)等。因此,區(qū)分微細(xì)骨料的性質(zhì)及礦物成分,對研究和討論其對混凝土性能的影響十分重要,不能簡單地用泥粉或石粉定義實際骨料中的微細(xì)顆粒。這些微細(xì)顆粒的礦物成分及其性質(zhì)具有泥粉和石粉的混合特征,其混合成分及比例的不同又會顯著影響其性質(zhì),最終影響混凝土的性能。實際生產(chǎn)中很難將微細(xì)骨料的成分及比例嚴(yán)格地區(qū)分,規(guī)范[10]中用MB值簡單地判斷微細(xì)骨料的性質(zhì)、制定相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定MB值大于1.4為泥粉,其含量不超過5%為砂含泥量的控制指標(biāo)。這種規(guī)定對于控制骨料中微細(xì)顆粒的含量有一定的意義,但并不能準(zhǔn)確地反映微細(xì)骨料的性質(zhì)及其對混凝土性能的影響程度[11-15],也沒有建立MB值及微細(xì)顆粒含量與拌合物性質(zhì)之間的關(guān)系。

本文選擇325目蒙脫土、325目高嶺土、325目伊利土三種典型的黏土,以及鐵尾礦、金尾礦、石材鋸屑、天然河砂和兩種機制砂中篩分出的微細(xì)顆粒為原料,制作MB值測試溶液,研究MB值與微細(xì)顆粒性質(zhì)及其細(xì)度之間的關(guān)系。然后,將一定含量的不同微細(xì)顆粒摻加到水泥中,制作水泥漿體,研究摻加各種微細(xì)骨料水泥漿體的流動度、稠化度及流變黏度,分析討論不同微細(xì)顆粒對漿體工作性、經(jīng)時穩(wěn)定性、流變黏度及其之間的變化規(guī)律。

1 微骨料物理特性分析

在研究微骨料對漿體工作性及其經(jīng)時穩(wěn)定性前,首先研究幾種微骨料的微觀形貌、比表面積、粒度分布等物理特性。

1.1 微觀形貌

試驗中使用的各種微骨料的微觀形貌特性見圖1。從掃描電鏡揭示的微骨料的顆粒形貌特征可見,蒙脫土大顆粒表面有絮狀物包裹,高嶺土大顆粒表面有細(xì)小顆粒集聚,伊利土顆粒較均勻,表面光滑、無包裹物。石材鋸屑顆粒分布連續(xù),大顆粒表面有細(xì)小顆粒附著,小顆粒附著在大顆粒表面的緊密程度比蒙脫土和高嶺土弱。尾礦大顆粒表面光滑,無更微細(xì)的顆粒附著。河砂或機制砂篩分出的微細(xì)顆粒表面都有些片狀結(jié)構(gòu),但沒有微細(xì)顆粒附著,來源于不同的河砂或機制砂,微細(xì)顆粒表面的形態(tài)有所不同。

圖1 微骨料微觀形貌

1.2 比表面積分析

表1為試驗用各種微骨料比表面測試結(jié)果,測試方法為BET方法。從比表面測試結(jié)果看,325目蒙脫土的比表面積較小,平均孔容也最小,平均孔徑較大,其他的微細(xì)骨料比表面積都較大,基本在50～70 m2/g之間,平均孔容較大,平均孔徑較小(伊利土除外)。

表1 微骨料的基本表面及孔隙特性

1.3 粒度分布分析

對試驗用微細(xì)骨料進(jìn)行粒度分析,粒度分布見表2和圖2。從粒度分布看,蒙脫土、高嶺土、伊利土0～10 μm顆粒的占比43%～49%,石材加工產(chǎn)生的石材鋸屑46%左右,其他的占比僅有10%～20%左右;而對于大于60 μm的顆粒,來源于河砂、機制砂、尾礦等微細(xì)骨料,其含量則較高。說明對于小于75 μm的微細(xì)骨料而言,不同的來源及其礦物成分,其粒度分布也是不同的。次生礦物的黏粒更細(xì),而原生礦物中微細(xì)顆粒相對粗一些。河砂及機制砂中的微細(xì)顆粒有兩種成分:次生礦物黏粒和原生礦物的石粉粒。累計粒度粒徑d10、d50、d90分別表示累計粒度分布數(shù)達(dá)到10%、50%、90%所對應(yīng)的粒徑。

表2 微骨料粒徑區(qū)間分布

圖2 微骨料顆粒粒度分布

2 微細(xì)骨料MB值測試結(jié)果

將微細(xì)骨料加入水中充分?jǐn)嚢柚瞥蓱覞嵋?測試微細(xì)骨料顆粒對亞甲藍(lán)的吸附量,并用MB值表征[16]。表3為實測結(jié)果。從表3可見,蒙脫土、高嶺土的MB值非常大,而伊利土雖然也是次生礦物,但其MB值相對很小。石材加工產(chǎn)生的石材鋸屑微骨料,其MB值只有0.7,屬于原生礦物石粉。金尾礦的MB值也不大,低于1.4,基本屬于原生礦物石粉,混合次生礦物成分量很微小。鐵尾礦MB值稍大,為2.7,但比河砂和機制砂小,說明來源于鐵尾礦的微細(xì)骨料主要成分仍然是原生石粉,但混有一定比例的次生黏粒。機制砂和河砂的微細(xì)顆粒中,既有黏粒,也有石粉粒。機制砂、河砂的MB值大小,取決于微細(xì)骨料中次生及原生礦物成分的比例,以及是否經(jīng)過水洗等加工處理。MB值大小一定程度也與顆粒的微觀形貌特征有關(guān)。細(xì)成分越多,黏粒含量越高,或附著在大顆粒表面的黏粒含量越高,其MB值越大。

表3 微骨料MB值

3 漿體工作性及其經(jīng)時穩(wěn)定性試驗設(shè)計及其參數(shù)

本文研究微細(xì)骨料對水泥漿體流動度及其經(jīng)時穩(wěn)定性的影響。試驗用水泥為P.O42.5水泥,其化學(xué)組分見表4。水泥漿體的水膠比為0.29,聚羧酸外加劑的摻量為1.5%(水泥質(zhì)量)。外加劑的摻量為飽和摻量。在正式試驗前,在0.29水膠比情況,試驗確定對漿體流動度不再增加的最大外加劑摻量,即為外加劑的飽和摻量。在配比中,蒙脫土的摻量為水泥質(zhì)量的0.5%、1.0%、1.5%、5.0%,其他的摻量均為5.0%。

表4 水泥的化學(xué)組分

空白試件及摻各種微細(xì)骨料的配比見表5。表中空白試件的水膠比為W/C(水/水泥),其他摻加微細(xì)骨料的水膠比為W/(C+m)(水泥+微細(xì)骨料),空白試件和摻加微細(xì)骨料的水膠比都是0.29,外加劑摻量均為1.5%。外加劑的固含為10%,水膠比計算中考慮了外加劑中的水。

表5 水泥微骨料漿體試驗配比設(shè)計

試驗用Marsh筒法測試100 mL水泥漿體的流動度(漿體攪拌后的即時流出時間)T30s,同時使用REEDEA-NDJ8S型高精度流變儀測試其流變黏度,流變黏度測試總時長為4 min,其中0至25 s轉(zhuǎn)速線性增加至60 r/min,25至120 s轉(zhuǎn)速先保持不變,隨后轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)階梯式下降,每個轉(zhuǎn)速臺階保持30 s,最終測試得到漿體流變黏度。測試完流動度后,靜置30 min,再用Marsh筒測其流動度(靜置30 min后的流出時間)T30min。定義T30min與T30s的比值為稠化度C,以表征漿體的經(jīng)時穩(wěn)定性。

(1)

4 漿體工作性及其經(jīng)時穩(wěn)定性試驗結(jié)果及分析

由前所述,微細(xì)骨料種類及來源不同,MB值不同。表6的試驗結(jié)果表明,具有不同MB值的微細(xì)骨料摻加到水泥漿體中,在相同水膠比的情況下,其流動度產(chǎn)生了不同程度的差異。

表6 水泥微骨料漿體工作性試驗結(jié)果

微細(xì)骨料的MB值比較小時,對水泥漿體的T30s影響不大,對經(jīng)時流變穩(wěn)定性影響也不大(圖3)。稍有不同的是,加入這類MB值較小的微骨料后,水泥漿體的流變黏度會有所增加(圖4)。說明MB值較小的微細(xì)顆粒,對水和外加劑吸附作用很小,摻入水泥漿體后,低MB值微細(xì)顆粒分散在其中,漿體中固體顆粒增多,形成凝聚體,流變黏度增大。

圖3 低MB值微細(xì)骨料與漿體稠化度

圖4 低MB值微細(xì)骨料與漿體流變黏度

由表6和圖5可知蒙脫土摻量為水泥質(zhì)量的0.5%時(M01),對水泥漿體的T30s影響不大,但流變黏度略有增加;摻量增加到水泥質(zhì)量的1.0%(M02)時,水泥漿體流動度顯著降低,經(jīng)時后完全失去流變性,流變黏度顯著增加;當(dāng)摻量增加到水泥質(zhì)量的1.5%以上時,水泥漿體完全失去流動性。隨著蒙脫土摻量的增加,水泥漿體的流變黏度顯著線性增長,增長趨勢見圖5。蒙脫土MB值極高,對水和外加劑吸附作用極大,在漿體中摻入水泥質(zhì)量1.0%時即對工作性及其經(jīng)時穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響,主要由于蒙脫土自身特性,如陽離子交換能力強、晶層結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)力弱且層間距大等導(dǎo)致的。

圖5 蒙脫土摻量與漿體流變黏度

試驗用高嶺土雖然MB值也極高,但摻量為水泥質(zhì)量的5.0%時(K01),水泥漿體仍具有流動度,影響的只是流變性的經(jīng)時穩(wěn)定性。摻入高嶺土后,水泥漿體的流變經(jīng)時穩(wěn)定性較差,導(dǎo)致漿體經(jīng)時后完全失去流動度,其流變黏度也顯著增加。伊利土雖然屬于次生礦物,但其MB值較小,摻入水泥漿體后(I01),對漿體的T30s影響較小,對漿體經(jīng)時穩(wěn)定性稍有影響。高嶺土和伊利土雖然都屬于次生礦物黏粒,但其MB值差別較大,對水和外加劑的吸附作用有顯著差異,主要與其自身的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

MB值較大的河砂微細(xì)顆粒和機制砂微細(xì)顆粒摻入水泥漿體,對漿體T30s影響不大,主要影響漿體的經(jīng)時穩(wěn)定性(圖6),對流變黏度有一定影響,當(dāng)微細(xì)顆粒MB值在6至8時,漿體流變黏度增加一倍左右(圖7)。說明MB值較大的微細(xì)顆粒,性質(zhì)類似高嶺土的次生礦物黏粒含量增多,吸附漿體中的水和外加劑,對漿體的經(jīng)時穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響,同時在漿體內(nèi)形成了更多凝聚體,流變黏度顯著增大。

圖6 高M(jìn)B值微細(xì)骨料與漿體稠化度

圖7 高M(jìn)B值微細(xì)骨料與漿體流變黏度

摻入水泥質(zhì)量5%的不同MB值微細(xì)骨料顆粒時,除摻入蒙脫土的水泥漿體失去流動度外,其他對水泥漿體的T30s影響并不顯著,與微細(xì)骨料的MB值沒有顯著的關(guān)系,摻入鐵尾礦微細(xì)骨料顆粒的流出時間最長達(dá)52.2 s,是除蒙脫土外的最大者,如圖8。雖然MB值較低時對流動度的影響不大,但對經(jīng)時穩(wěn)定性的影響卻比較顯著。

圖8 不同MB值微骨料對漿體即時流出時間的影響

從圖9所示的稠化度試驗結(jié)果看,摻加兩種MB值極高的蒙脫土(M04)和高嶺土的漿體,在靜置30 min后,完全失去流變性,含有水泥質(zhì)量5%高嶺土和含5%蒙脫土的水泥漿體,其漿體的流變黏度分別為4 062 mPa·s、40 701 mPa·s,是純水泥漿體的60多倍和600多倍。 摻加MB值為8.3的河砂微細(xì)骨料的漿體,靜置30 min后的稠化度隨著靜置時間的延長,流變性顯著降低;摻加其他幾種MB值在0.7～6.7之間的微細(xì)骨料的漿體,靜置30 min的稠化度均比純水泥漿體的稠化度略高。金尾礦、鐵尾礦的MB值不高,主要成分為石粉,摻加金尾礦、鐵尾礦的漿體的稠化度較低(小于1.0)。圖10為摻加水泥質(zhì)量5%的具有不同MB值微細(xì)骨料水泥漿體流變黏度與純水泥漿體的比值,其比值基本在4～6之間。說明對一些不含黏性顆粒,或黏性顆粒含量較少、MB值不高的微細(xì)骨料,摻加到水泥漿體中,雖然對漿體流動度、稠化度影響并不十分顯著,但比較顯著地增加流變黏度,即可以改善漿體的黏聚性,且MB值越大,流變黏度增加越明顯。

圖9 不同MB值微骨料對漿體稠化度的影響

圖10 不同MB值微骨料對漿體流變黏度的影響

5 結(jié) 論

混凝土砂石骨料中的微細(xì)顆粒由原生礦物(石粉)和次生礦物(泥粉)組成。原生礦物的成分與母巖一致,對水與外加劑的吸附作用很小。次生礦物屬于黏粒,粒徑較小,表面特征及比表面積等物理參數(shù)與石粉有顯著差別,對水及外加劑的吸附作用大。黏粒種類不同、MB值不同,對水泥漿體工作性的影響也不同,蒙脫土影響最大,高嶺土次之,伊利土雖然也屬于次生礦物黏粒,但MB值較小,對水泥漿體流動性的影響與石粉相近。金尾礦、鐵尾礦的主要成分屬于石粉,MB值不大,對水泥漿體工作性的影響也不顯著,但鐵尾礦的MB值較金尾礦大、黏粒成分相對較多,對漿體的影響也稍大。河砂及機制砂微細(xì)顆粒的MB值變化幅度較大,說明來源及加工處理工藝不同,其黏粒含量有差別,MB值大的次生礦物黏粒含量高。試驗結(jié)果表明,河砂、機制砂微細(xì)顆粒的MB值在3.3～6.7之間,其T30s、稠化度與空白試件的比值分別在1.0～1.03、1.02～1.45之間,影響并不顯著,對工作經(jīng)時穩(wěn)定性的影響高于對流動度的影響;流變黏度的比值在4～6之間,摻加微細(xì)骨料的漿體,其流變黏度明顯高于純水泥漿體,說明摻加黏粒含量低、MB值小的微細(xì)骨料后,漿體的流動度、稠化度變化不明顯,但可以改善漿體的黏聚性。