混凝土作为重要的建筑材料, 在土木工程行业发挥重要作用。砂作为混凝土重要的原材料, 不断地被开采, 造成优质的河砂资源非常匮乏^[1]。近十几年来, 为了减少天然优质河砂短缺带来的制约, 大量的机制砂得到应用。但应用过程中出现了较多问题, 尤其是聚羧酸减水剂对某些机制砂中含有的石粉非常敏感。如果单纯地提高减水剂的用量, 不仅会增加混凝土成本, 还极易出现泌水现象, 如果把机制砂中的石粉洗去, 不仅会改变砂的颗粒级配, 还会增加企业成本。山东的灰埠和梨沟地区的机制砂是非常具有代表性的一类, 在混凝土制备过程中, 极易出现初始坍落度低, 坍落度损失大, 在拌合完成10min左右, 坍落度降低很多。在前期的研究基础上发现产生这种现象的原因在于这类机制砂中的石粉对聚羧酸减水剂有强烈的吸附作用。因此针对此类问题, 探究其产生原因和改善措施会对机制砂的广泛应用具有重要的示范和推广作用。

针对聚羧酸减水剂吸附剂改善问题, 国内外许多专家学者做了很多研究:王方刚等探讨了聚羧酸减水剂对劣质机制砂的吸附机理, 并利用抗泥剂对劣质砂进行改进, 取得了较好效果。钟志强等研究了不同助剂对聚羧酸减水剂抗泥性的研究, 发现自己制备的抗泥剂可以明显改善含有一定黏土的混凝土初始坍落度, 以及坍落度损失。何廷树等利用聚乙二醇, β-环糊精, 二甲基二烯丙基氯化铵制备成了抗泥泵送剂, 并应用在混凝土中, 取得了较好效果。文献[2-3]研究了不同泥矿物对减水剂的吸附机理, 发现不同黏土矿物吸附程度不同, 主要是由于黏土结构中存在层状结构, 减水剂的支链容易插入, 导致减水剂大量吸附。综合国内外研究, 针对聚羧酸减水剂的吸附问题, 主要集中在减水剂对泥的吸附和改善, 单纯针对吸附强的机制砂石粉的研究还几乎是空白。

本文研究了山东灰埠和梨沟地区机制砂中石粉含量对砂浆流动性能的影响, 并利用自己制备的小分子改性剂对砂浆流动性进行了改进, 并对掺加改性剂和不掺加改性剂机制砂配置的混凝土的和易性和强度进行了研究。结果表明:在机制砂混凝土中加入改性剂, 并增加石粉含量, 对混凝土的整体和易性都有一个很大提升, 并且不会影响其强度。改性剂的引入解决了硅质机制砂混凝土和易性差的问题。改性剂的加入不仅可以提高砂浆和混凝土的初始流动度, 还可以减小砂浆和混凝土的经时损失, 另外由于改性剂具有较强的分散作用, 使得石粉分散的更均匀, 对砂浆和混凝土的早期强度影响不大, 后期强度有一定提高。

水泥北京金隅股份有限公司 (P·O 42.5) , 主要性质如表1所示;水实验室自来水;减水剂西卡减水剂, 固含量15%, 胶凝材料总量的0.8%~1.5%;粉煤灰Ⅰ级粉煤灰, 细度 (45μm筛余) 为8.7%, 需水量比为98%;矿粉金泰成公司生产的S95级矿渣粉, 比表面积为429m²/kg, 活性指数为101%;石子碎石, 5~26.5连续级配, 表观密度为2.62g/cm³, 压碎值为11.6%;改性剂自己制备的一种小分子改性剂, 最佳掺量为胶凝材料加石粉总量的0.8%~1.5%, 文中改性剂的掺量为胶凝材料加石粉总量的1.0%;机制砂分别是山东灰埠机制砂、山东梨沟机制砂, 砂的主要性质如表2所示。

1) 由于机制砂中石粉含量较高, 并且石粉吸附聚羧酸减水剂较多, 因此利用激光粒度分析仪对砂中的石粉颗粒粒度分布进行分析, 利用XRF成分分析仪、扫描电镜对石粉的组成和形貌进行了分析。

2) 碳吸附试验:取1g粉体材料加入到50m L浓度为4g/L纯水配置成的聚羧酸减水剂溶液中, 搅拌3min, 静止4min后, 用砂芯漏斗装置过滤, 取5m L过滤后的溶液稀释10倍后, 作为测试样品, 采用总有机碳测试仪分别测试水泥、钙质石粉、灰埠石粉、梨沟石粉对聚羧酸减水剂的吸附量。

3) 根据GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定机制砂砂浆的0, 30, 60min扩展度。根据GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》进行砂浆试件的成型、养护和强度测定。

4) 根据GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》规定的坍落度法测试混凝土拌合物的和易性。根据GB/T50107—2010《混凝土强度检验评定标准》测定机制砂混凝土的强度。混凝土配合比如表3所示。

通过XRF分析对石粉的组成和形貌进行分析, 石粉中的氧化物组成如表4所示, 可以看出主要成分Si O₂占64%左右, 远大于其他氧化物组成。由于存在较多的Si O₂, 在机制砂粉碎过程中, 颗粒表面会存在大量的Si-O断键, 存在较多电荷, 颗粒物越细, 这种现象越明显。通过激光粒度分析仪对石粉的颗粒物粒度分布进行了分析, 石粉中颗粒物粒度组成如图1所示, 对比发现灰埠地区石粉细颗粒组成多于梨沟石粉, 如果石粉中细颗粒组成较多, 表面带电荷现象越明显, 比表面积越大, 对减水剂的吸附就会越多^[4]。

通过扫描电镜对2种石粉的形貌进行分析, 可以明显看出:由于硅质石粉存在Si-O断键, 表面带有一定量的电荷使这2种细颗粒石粉的吸附能力较强, 产生明显的团聚现象, 形成较大颗粒。

表5是碳吸附试验结果, 可以明显看出, 灰埠石粉和梨沟石粉对聚羧酸减水剂的吸附量远大于水泥, 而以碳酸钙为主的钙质石粉对聚羧酸的吸附量略小于水泥对聚羧酸减水剂的吸附量, 这也是钙质石粉可以起到减水作用, 而硅质石粉由于大量吸附聚羧酸减水剂, 导致混凝土和易性较差, 流动性损失大的原因^[5,6]。

选用砂浆试件各组分的质量比为:标准砂∶水泥∶水∶减水剂=700∶350∶140∶3, 分别掺加0, 6%, 8%, 10%的石粉代替标准砂, 探究不同掺量硅质石粉对砂浆扩展度的影响。

图2a是灰埠石粉的试验结果, 在石粉掺量为0时候, 砂浆的扩展度为180mm, 并且30, 60min后的扩展度几乎没有变化, 当石粉掺量为6%时, 初始扩展度为175mm, 略微降低, 但是30, 60min的扩展度降低很多, 损失较大, 当石粉掺量达到10%时, 初始扩展度降低, 到110, 30min后扩展度为0。

图2b是梨沟石粉的试验结果, 在石粉掺量为0时, 砂浆的扩展度为185mm, 并且30min和60min的扩展度仍是180mm, 损失较小, 当石粉掺量为6%时, 初始扩展度为180mm, 略微降低, 但是30, 60min的扩展度降低很多, 砂浆扩展度损失较大, 当石粉掺量达到10%时, 初始扩展度降低到110, 30min砂浆无流动度。

将2种硅质石粉加入到砂浆中, 对砂浆的扩展度带来较大影响。由于灰埠石粉吸附减水剂量大, 因此对砂浆的扩展度影响大于梨沟石粉的影响。另外, 机制砂中含有的石粉为6%时, 对砂浆的流动度已经有较大影响, 为了使得机制砂的级配良好以及考虑工艺限制, 一般石粉含量>6%。因此减少硅质机制砂中石粉对聚羧酸减水剂的吸附是个急需解决的问题。为了研究石粉对流动性的影响, 采用2种方法: (1) 掺加自己配置的改性剂; (2) 提高减水剂的掺量。在石粉含量为10%的基础上, 掺加改性剂和提高减水剂的试验结果如图3所示。

图3a为灰埠石粉对砂浆扩展度的试验结果, 掺加改性剂 (10%-有) 初始扩展度明显好于不掺加改性剂组 (10%-无) , 不仅初始扩展度高, 而且30, 60min扩展度几乎没有损失, 这说明改性剂可以很好地改善硅质石粉对砂浆流动性的影响。掺加改性剂组与标准组 (0) 相比, 也具有一定的提高, 流动度增加, 而且砂浆状态良好, 没有产生泌水现象。

提高减水剂掺量:标准砂∶水泥∶水∶减水剂=700∶350∶140∶5, 初始流动度增加到185mm, 但出现较明显的泌水现象, 但是30, 60min的扩展度损失较大, 最后1h后砂浆没有流动度。

图3b为梨沟石粉对砂浆扩展度影响的试验结果, 结果与图3a类似。但是改性剂对于梨沟石粉的效果相对于灰埠石粉的影响效果更好。主要原因在于:改性剂的加入可以优先吸附在石粉颗粒表面, 减少石粉对聚羧酸减水剂的吸附, 使得砂浆的流动度变大, 另外扩展度损失变小, 灰埠石粉吸附减水剂量大, 所以效果略低于梨沟机制砂^[5,6]。

图4a和图4b分别是砂浆抗压强度和抗折强度结果, 其中符号KY表示抗压强度, 符号KZ表示抗折强度, 不掺加石粉的1组3, 7, 28d抗折强度与抗压强度均略小于掺加石粉组, 掺加石粉的2组:10%-加与10%-不加2组的砂浆3, 7, 28d抗折强度与抗压强度相差不大, 掺加改性剂组还略高于不掺加改性剂组, 原因在于, 掺加石粉后, 石粉颗粒粒度大于胶凝材料粒度, 小于标准砂颗粒粒度, 使颗粒之间填充更加密实, 强度更高, 另外, 掺加改性剂组强度略大于不掺加改性剂组, 表明改性剂由于具有超强的分散作用, 会使石粉在砂浆中分散更加均匀, 减少砂浆中石粉大量聚集, 减少软弱区域的存在, 提高砂浆强度^[7,8]。

在砂浆研究的基础上, 把改性剂用在机制砂配置成C30, C50 2种混凝土中, 机制砂分别为灰埠机制砂 (hb) 和梨沟机制砂 (lg) , 这2种机制砂中的石粉含量都为10%, 混凝土的工作性试验结果如图5所示, 不掺加改性剂的机制砂混凝土初始坍落度在170mm左右, 浆体黏稠, 难以流动, 0.5h后坍落度降低到60mm, 拌合物失去了流动性, 坍落度损失很大。其中灰埠石粉相对于梨沟石粉对混凝土的影响大。掺加改性剂后, 2种C30混凝土的初始坍落度在220mm左右, C50混凝土的初始坍落度在215mm左右, 1h后, 坍落度均在180mm以上, 表明改性剂均提高了混凝土的初始坍落度, 降低了混凝土的坍落度损失。

图6a是C30混凝土强度的结果, 图6b是C50混凝土强度结果。可以看出C30, C50混凝土掺加改性剂的3d强度略低于不掺加改性剂的混凝土, 但是7, 28d掺加改性剂组略高于不掺加改性剂组。主要原因在于改性剂分子结构中含有的羧基、羟基等基团, 这些基团具有一定的缓凝作用, 造成早期强度略低于不掺加改性剂的混凝土, 但是由于改性剂具有较强的分散作用, 使得石粉均匀充分地分散在混凝土中, 减少混凝土中薄弱区域的存在^[9,10], 另外石粉本身可以增加混凝土的强度, 充分均匀分散后, 混凝土强度增加更明显, 因而增加了混凝土的后期强度。

1) 硅质机制砂中, 为了级配需要和工艺限制, 砂中存在一定石粉。由于硅质石粉颗粒表面存在一定的电荷, 石粉吸附减水剂能力强, 造成混凝土性能变差。

2) 改性剂可以有效增加砂浆的流动度, 减少砂浆30, 60min扩展度损失。增加减水剂的掺量, 虽然可以增加砂浆初始扩展度, 但是泌水严重, 30min砂浆扩展度损失大。

3) 改性剂可以有效提高混凝土初始坍落度, 减小30, 60min混凝土坍落度损失, 减少硅质机制砂石粉影响, 对混凝土强度影响较小。