砂石含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑性能的影響
混凝土原材料中砂石所含的“泥”一般是指按規(guī)定要求可以從砂石中沖洗出來(lái)的，粒徑在規(guī)定數(shù)值以下的黏土、塵屑和淤泥。塵屑是指粒徑小于某一規(guī)定限值的非礦物及小云母片等，含量一般較小。淤泥是指顆粒大小介于黏土和砂子的土粒，在土力學(xué)中規(guī)定粒徑大小在0.0005～0.0050mm范圍內(nèi)的原生礦物質(zhì)微粒。而黏土則是指巖石在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化和化學(xué)作用后，變質(zhì)所形成的粒徑小于0.005mm的微小顆粒。從結(jié)構(gòu)上看，黏土是一種成層狀或?qū)渔湢罘植嫉墓杷猁}礦物集合體；從礦物組成成分上看，黏土主要有高嶺石、蒙脫石以及伊利石三種類(lèi)型基。因此，黏土具有礦物種類(lèi)多和結(jié)構(gòu)各異的特點(diǎn)。砂石中的黏土僅出現(xiàn)一種礦物成分的情況是很少的，一般是與其伴生的多礦物集合體。聚羧酸減水劑的分子呈梳狀結(jié)構(gòu)，主鏈吸附在水泥顆粒表面上，長(zhǎng)鏈則深入水中，在空間位阻和靜電斥力的作用下，表現(xiàn)出良好的分散性。從黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以知道黏土礦物結(jié)構(gòu)中層間有一定的吸附作用。研究說(shuō)明，黏土礦物這種層間結(jié)構(gòu)的吸附作用對(duì)聚羧酸減水劑分子的吸附很強(qiáng)，導(dǎo)致聚羧酸減水劑分子的一部分被吸附進(jìn)黏土礦物的結(jié)構(gòu)層中，有時(shí)甚至整個(gè)聚羧酸減水劑分子都被吸附進(jìn)去。導(dǎo)致在水泥體中起分散作用的“有效分子”數(shù)量減少，在很大程度上抑制了聚羧酸減水劑的分散效果，降低減水率，直接影響聚羧酸減水劑的性能。砂石表面吸附的泥土成分主要為黏土，因此在制備混凝土?xí)r砂石含泥就會(huì)影響聚羧酸減水劑的性能。而且集料中的含泥量越高，黏土對(duì)減水劑和水的吸附就越大，漿體流動(dòng)度減小；同時(shí)黏土?xí)档突炷令w粒間的粘結(jié)，并在其中形成“空域”，這是含泥量影響混凝土強(qiáng)度的原因。在使用減水劑之前往往需要進(jìn)行混凝土試配試驗(yàn)來(lái)確定最佳的摻量，但該類(lèi)試驗(yàn)一般不考慮含泥量、石粉含量等因素對(duì)聚羧酸減水劑、混凝土性能的影響，這樣難免出現(xiàn)在同一混凝土配比和同一聚羧酸摻量下，混凝土性能不同的問(wèn)題。因此，本文通過(guò)試驗(yàn)研究砂石含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑性能的影響，從而為工程施工提供理論依據(jù)。
1砂石含泥量對(duì)摻聚羧酸減水劑混凝土性能的影響
1.1混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)隨含泥量的變化
通過(guò)抗壓試驗(yàn)測(cè)定了在4種不同水灰比條件下5組不同含泥量混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，如表1所示。根據(jù)表1繪制如圖1的曲線，以便看出混凝土強(qiáng)度指標(biāo)隨含泥量的變化趨勢(shì)。分析圖1可知，含泥量在0.8%～2%范圍時(shí)，摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度隨含泥量的升高均有波動(dòng)，曲線較平緩。這說(shuō)明含泥量在0.8%～2%變化范圍內(nèi)時(shí)，混凝土強(qiáng)度隨含泥量增大變化不夠明顯。因此，含泥量在0.8%～2%范圍內(nèi)對(duì)摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，有時(shí)甚至隨含泥量的增大而提高。原因是黏土對(duì)減水劑和水分有吸附能力，正是這一種能力使得黏土把混凝土拌料中一小部分的減水劑和水吸到結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面，致使拌料中的水泥的分散和水化受到影響。當(dāng)含泥量較小時(shí)，黏土對(duì)減水劑和水分的吸附能力較弱，同時(shí)黏土在混凝土漿體中比較分散，導(dǎo)致黏土對(duì)混凝土的強(qiáng)度影響不大。此外，隨著水泥的水化反應(yīng)，水泥漿不斷變稠、凝結(jié)硬化，在硬化的過(guò)程中漿體會(huì)發(fā)生收縮。例如化學(xué)收縮，即水泥漿體在水化過(guò)程中發(fā)生的體積收縮；由環(huán)境溫濕度變化引起水泥石內(nèi)部水分的流失而產(chǎn)生的失水收縮；由于干燥和碳化引起的收縮等。這些收縮將會(huì)伴隨水泥漿體整個(gè)水化和凝結(jié)硬化過(guò)程，隨著由收縮引起的微小空洞和隙縫的發(fā)展，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，水泥漿體會(huì)慢慢地被破壞。在這種情況下，少量的泥土顆粒在水泥漿體初期，不僅可以填補(bǔ)剛出現(xiàn)的空洞及微裂縫，使水泥漿體的密實(shí)度增加，還可以防止微裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。因此，當(dāng)集料的含泥量較低時(shí)，含泥量在一定程度上可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。
含泥量在2%～5%范圍時(shí)，摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度隨含泥量的增大而降低，曲線較陡。原因是隨著含泥量增大，混凝土拌料所含的黏土量增多，這時(shí)黏土不但對(duì)減水劑和水分的吸附增強(qiáng)，而且黏土?xí)啵渌挠袡C(jī)物雜質(zhì)會(huì)對(duì)水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)生影響，從而在一定程度上減弱了水泥的粘結(jié)力；另外由于黏土包含礦物的層狀結(jié)構(gòu)，使得水分能夠進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這種膨脹性、收縮性產(chǎn)生的后果是混凝土試塊硬化后收縮變大，試塊密實(shí)度降低，這種影響隨著含泥量增大更為明顯。因此，當(dāng)含泥量高的時(shí)候，混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度大，混凝土強(qiáng)度隨含泥量變化曲線較含泥量低的時(shí)候下降更為急劇。綜上所述，含泥量在一定范圍內(nèi)（＜2%）時(shí)，摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度受到的影響不大，或在一定程度上提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)含泥量在3%以上時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度下降的趨勢(shì)更為明顯。雖然不同水灰比的混凝土試塊的強(qiáng)度值隨含泥量的升高而降低，但是不同強(qiáng)度的變化曲線形狀仍然存在明顯的差異，由此可見(jiàn)混凝土試塊強(qiáng)度受到的影響程度不相同。原因可能是聚羧酸減水劑與水灰比的適應(yīng)性不同，聚羧酸高性能減水劑對(duì)不同水灰比的混凝土強(qiáng)度也產(chǎn)生了影響。
1.2混凝土坍落度指標(biāo)隨含泥量的變化規(guī)律
通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了在聚羧酸高性能減水劑的摻量為2.2%以及不同含泥量、不同水灰比等條件下各混凝土拌合物的坍落度，如表2所示。根據(jù)表2中各組混凝土拌合物的坍落度繪制如圖2的曲線，以便看出坍落度指標(biāo)隨含泥量的變化趨勢(shì)。分析圖2可知，水灰比分別為0.5、0.45、0.40、0.35時(shí)，摻聚羧酸高性能減水劑混凝土拌合物的坍落度隨含泥量變化曲線形狀相似，4種水灰比條件下的混凝土拌合物坍落度均隨含泥量的增加呈下降趨勢(shì)。
分析其原因，可能有以下幾點(diǎn)：（1）由于泥土很細(xì)（粒徑小于75μm），對(duì)聚羧酸高性能減水劑有較強(qiáng)的吸附作用，會(huì)影響其正常發(fā)揮作用，效果相當(dāng)于減少減水劑的用量，致使混凝土拌合物的需水量變大。在水用量保持不變的條件下，混凝土拌合物稠度增加，和易性下降，混凝土的流動(dòng)性變差。因此，聚羧酸高性能減水劑混凝土拌合物的坍落度隨含泥量的增加而減小。（2）由于泥土顆粒的增加，漿體的表面積也會(huì)隨之增大，致使需水量變大，在用水量不變的情況下混凝土拌合物的和易性下降，最終使得混凝土的流動(dòng)性隨含泥量增加而降低。由此說(shuō)明，聚羧酸高性能減水劑混凝土的坍落度會(huì)隨著含泥量的增加而減小。（3）雖然泥土的顆粒粒徑小于75μm，但仍然比水泥顆粒的粒徑大很多，而且泥土顆粒表面比水泥顆粒表面粗糙，漿體內(nèi)顆粒之間的摩擦力就會(huì)增大，因此增大了混凝土拌合物的流動(dòng)難度，使混凝土拌合物的坍落度減小。
總體上，含泥量在0.8%～3%時(shí)，含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑混凝土拌合物流動(dòng)性的影響曲線呈平穩(wěn)下降的趨勢(shì)；含泥量在3%～5%時(shí)，含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑混凝土拌合物的流動(dòng)性影響曲線的下降趨勢(shì)加劇。這表明砂子的含泥量在3%以上時(shí)，含泥量對(duì)聚羧酸高性能減水劑混凝土拌合物流動(dòng)性的影響變大，可能是由于該階段聚羧酸高性能減水劑的分散能力下降所致。
水灰比（W/C）為0.3和0.4的曲線，含泥量在1.5%～2.0%范圍內(nèi)時(shí)，減水率隨含泥量的上升卻略有上升，與預(yù)期結(jié)果不吻合，可能是由試驗(yàn)誤差或數(shù)據(jù)的離散性造成；總體上仍體現(xiàn)聚羧酸系減水劑對(duì)含泥量較為敏感的特性，而且具有混凝土拌合物流動(dòng)性隨含泥量的上升而降低的特點(diǎn)。
2砂石含泥量對(duì)聚羧酸減水劑的適應(yīng)性
目前市場(chǎng)上的砂分人工砂和天然砂兩種，海砂、山砂及河砂屬于天然砂，人工砂中含有石粉等對(duì)混凝土性能不利的因素，而且價(jià)格比河砂高，因此大多使用河砂來(lái)制備混凝土。當(dāng)河砂的顆粒級(jí)配達(dá)不到要求時(shí)，可采用混合砂，即把河砂和人工按一定比例混合使用。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，砂石中含有泥會(huì)對(duì)混凝土性能等產(chǎn)生影響。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：當(dāng)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度≤C25時(shí)，含泥量限值≤5%；當(dāng)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度在C55～C30時(shí)，含泥量限值≤3%；當(dāng)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度≥C60時(shí)，含泥量限值≤2%。在研究含泥量對(duì)聚羧酸減水劑影響時(shí)，含泥量大多按2%或5%遞增，由于所選范圍寬，所以反應(yīng)出來(lái)的變化趨勢(shì)比較明顯。本文不僅以考察砂子含泥量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及流動(dòng)性的影響為目標(biāo)，也以考察在國(guó)家規(guī)定范圍內(nèi)的砂子含泥量與聚羧酸系減水劑的相容性為另一目標(biāo)。從圖1和圖2可以看出，聚羧酸減水劑性能受到影響大小的波動(dòng)發(fā)生在含泥量為0.8%～2%、2%～3%、3%～5%這3個(gè)區(qū)域內(nèi)。含泥量在這3個(gè)范圍內(nèi)時(shí)，摻聚羧酸減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度和坍落度增減比例如表3所示。
從表3可以看出，從增強(qiáng)效果方面來(lái)看，當(dāng)砂子含泥量為2%時(shí)，其與EY－1聚羧酸高性能減水劑的適應(yīng)性最好；從流動(dòng)性方面來(lái)看，當(dāng)含泥量為2%時(shí)，雖然混凝土流動(dòng)性能已經(jīng)下降，但是總體下降的幅度不大，在3%左右，不會(huì)影響混凝土的施工性能。因此，可以認(rèn)為含泥量為2%時(shí)，對(duì)EY－1聚羧酸高性能減水劑的適應(yīng)性最好。考慮可操作性，在應(yīng)用時(shí)把含泥量控制在2%以下為宜。含泥量超過(guò)3%時(shí)，每增加1%，混凝土抗壓強(qiáng)度減低約5%～6%。
3結(jié)語(yǔ)
研究了在4種不同水灰比的條件下、不同含泥量對(duì)摻聚羧酸高性能減水劑混凝土性能的影響。當(dāng)含泥量小于2%時(shí)，含泥量對(duì)摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，有時(shí)甚至隨含泥量的增大而提高；當(dāng)含泥量大于2%時(shí)，摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的抗壓強(qiáng)度隨含泥量的增大而降低。摻聚羧酸高性能減水劑混凝土的流動(dòng)性隨含泥量的增加呈下降趨勢(shì)，總體上體現(xiàn)了聚羧酸系減水劑對(duì)含泥量較為敏感的特性。含泥量為2%時(shí)，與ＥＹ－1聚羧酸高性能減水劑的適應(yīng)性最好。在工程中，含泥量控制在2%以下為宜。本次試驗(yàn)忽略了含泥量以外其他骨料性狀對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，使試驗(yàn)的精度降低，并且在研究砂子含泥量對(duì)聚羧酸減水劑性能影響機(jī)理時(shí)，僅是從宏觀的理論進(jìn)行推斷，沒(méi)有進(jìn)行微觀分析。