掺高性能减水剂的机制砂混凝土泌水影响因素研究

掺高性能减水剂的机制砂混凝土泌水影响因素研究

余文昊1,孟德齐2,柳新发3

浙江交工集团股份有限公司铁路分公司，浙江省杭州市，310000

摘要：随着我国建筑的不断发展，预拌混凝土在全国大中城市得到了广泛应用。砂石作为混凝土中的主要原料，占混凝土总体积的70%~80%。天然资源尤其是天然砂的过度开采和消耗给环境造成了不良影响。随着天然砂资源的日益枯竭和更严格的河道禁采、禁挖政策的实施，机制砂的应用已经成为趋势，并得到了大规模应用。然而由于机制砂的特性导致机制砂混凝土应用过程中存在一系列问题，特进行一些探讨。

关键词：掺高性能减水剂；机制砂混凝土；泌水影响因素

引言

随着我国城镇化进程和基础建设的不断发展，混凝土的需求日益剧增，目前其用量早已超过100亿t，而砂作为混凝土细骨料，其含量占总骨料约1/3。混凝土所用砂主要分为：天然砂和机制砂，天然砂作为混凝土的理想细骨料使用时间长，积累丰富的工程应用经验，相关的建设标准规范也很齐全，但随着混凝土的用量剧增，天然砂资源也面临枯竭，且天然砂自然分布不均匀，过度开采天然砂易打破当地生态平衡，造成环境破坏。因此一些河砂资源匮乏的地区开始寻求天然砂的替代品，机制砂应运而生。机制砂是母岩经机械破碎、筛分制成，粒径小于4.75mm但不包括软质岩和风化岩的岩石颗粒。由于机制砂原材料丰富，便于就地取材且不破坏环境，机制砂的应用也日益广泛。

1机制砂的特性

我国机制砂的生产方式多种多样，不同地域中机制砂的母岩、颗粒粒型、颗粒级配、石粉含量、石粉含泥各不相同。目前，规模化机制砂生产才刚开始起步，绝大数机制砂生产线属于小型作坊式，采用廉价设备和传统锤式粉碎工艺，利用当地的石灰岩、花岗岩、鹅卵石及混合石材进行机制砂生产。由于设备相对较旧，工艺不先进，生产控制不规范，现有机制砂普遍存在母岩来源复杂、级配差、粒形尖锐多棱角、粉体成分复杂，含泥量偏高等问题，导致机制砂混凝土和易性不好、坍落度损失大、强度不高、混凝土性能波动大等问题。近几年，又出现水洗机制砂絮凝剂残留问题，导致机制砂混凝土坍落度经时损失大、减水剂掺量高等问题，给企业规模化生产增加了困难。

2机制砂对混凝土性能的影响

2.1机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响

机制砂中的细粉由与母岩化学成分相同的石粉和黏土质泥粉组成，现行国家标准GB/T14684—2011将它们统称为石粉。由于组成石粉的母岩性质和黏土质泥粉含量的差异，其吸附性能也存在一定的差异，国家标准GB/T14684—2011采用亚甲蓝（MB）值表示石粉吸附性的大小，研究表明随着石粉MB值增加存在新拌混凝土工作性能降低、混凝土力学性能和耐久性能降低等问题。目前，国内外对石粉含量对混凝土性能影响的研究较多，但存在一定的争议，部分研究人员认为在一定范围内石粉含量对机制砂混凝土的工作性能和抗压强度具有积极地作用，存在最佳的石粉含量，谢开仲等研究表明不同岩性机制砂混凝土力学性能差异与石粉含量有关，随着石粉含量增加混凝土峰值应力与峰值应变呈先增加后降低的趋势，在应力和应变极大值时，石粉含量为最佳。王旭昊等研究了石粉含量对C45凝灰岩机制砂混凝土性能的影响，结果表明，随着石粉含量增加相关性能均呈现先增大后减小的趋势，存在最佳石粉含量，并通过控制机制砂石粉含量使C45凝灰岩机制砂混凝土的综合性能优于C45天然砂混凝土。另一部分研究人员认为增加石粉含量会降低机制砂混凝土的工作性能和抗压强度，这可能是由于不同岩性机制砂石粉吸附性差异引起的,王振等研究表明凝灰岩和石灰岩石粉对胶砂强度的影响优于其它岩性石粉。

2.2机制砂中絮凝剂对机制砂混凝土性能的影响

近几年，随着环保检查力度加大，机制砂水洗过程中产生的污水禁止外排，而采用絮凝剂（聚丙烯酰胺、聚合氯化铝等）进行絮凝，可将水和污泥分离，即污泥下沉进行压滤，上层清水循环使用。由于絮凝剂加入量多数为人工随意，易导致絮凝剂过量而残留在水中，在后续水洗过程中，残留在机制砂中。目前水洗砂最常用的絮凝剂为聚丙烯酰胺PAM（分子量500万~1200万）和聚合氯化铝PAC（22%~26%）。洗砂水循环使用会造成机制砂中絮凝剂的残留累积，严重影响混凝土的性能，导致混凝土工程质量事故时有发生。机制砂中残留的絮凝剂会对混凝土的性能造成影响，絮凝剂浓度越高，影响越明显。机制砂中絮凝剂残留量较高时，混凝土料粘性会加大，会降低混凝土的流动性，增加混凝土的坍落度损失，且损失快，减水剂掺量需要提高很多、甚至翻倍。聚合氯化铝残留会缩短混凝土的凝结时间，坍落度损失也加大且会增加混凝土中的氯离子含量。水洗机制砂中絮凝剂的残留主要在水中，因此机制砂中絮凝剂的量跟机制砂的含水量有很大关联。生产机制砂时絮凝剂添加的随意性、机制砂进厂水分含量不同、絮凝剂含量不同则会对混凝土生产造成较大波动性，增加了预拌混凝土企业的风险。因此，检验机制砂是否残留絮凝剂显得尤为重要。目前行业内最常用的方法是300g机制砂（湿砂）加入300g自来水充分搅拌均匀，观察上层水与混凝液的澄清速度，若快速澄清（20s以内），则絮凝剂含量较高，可能对混凝土有明显影响；若澄清速度较慢，则絮凝剂含量较低；若缓慢澄清（30min以上）则未含絮凝剂。

2.3颗粒形貌的影响

由于生产工艺的原因，机制砂在粒形上表现为形状不规则且表面粗糙，对新拌混凝土的工作性和力学性能具有一定影响。《公路工程集料试验规程》（JTGE42—2005）中指定了细集料颗粒形状和表面粗糙程度的检测标准，要求以细集料棱角性试验（包括间隙率法和流动时间法）评价细集料颗粒的棱角性。除上述测试手段外，近年来国内外采用先进的图像分析方法和数字图像识别技术，对细集料的颗粒形状参数进行量化分析，以集料的宽厚比（长宽比）、半径比、圆球度等形状参数对细集料的颗粒形貌进行表征和评价。研究指出机制砂母岩材性对颗粒形貌有显著影响，岩性对1.18~4.75mm、0.3~0.6mm粒级范围内颗粒形貌影响最大，其中，0.3~0.6mm粒级颗粒形貌对机制砂棱角性起着决定性作用。整体形状、棱角度和粗糙度的综合影响使机制砂颗粒在整体形状上具有显著的各向异性和较低的圆球度，其长径比大于2.0，较粗的颗粒通常具有更粗糙的表面。机制砂颗粒的表面结构、形状不规则性和棱角性等因素，改善了集料与水泥石之间的黏合性能，颗粒间的桥接、摩擦效应改善了混凝土内部的荷载传递和应力分布，提高了混凝土的强度。机制砂的针棒状颗粒越多、颗粒圆球度越差，棱角性越高，导致颗粒间相互摩擦，需要更多的水泥浆体进行填充和润滑，间接导致混凝土的流动性变差，影响其工作性能。此外，有研究表明在相同的颗粒级配和石粉含量下，机制砂的颗粒形貌对机制砂混凝土强度的影响并不显著，石粉含量才是影响混凝土强度的最重要因素。

2.4体积稳定性

机制砂对混凝土收缩的影响与龄期和机制砂的石粉含量有关，目前的研究结论不一致。部分学者的研究结果显示，当机制砂石粉含量小于某一值时混凝土的干燥收缩随石粉含量增大而增大，当石粉含量大于该值时混凝土干燥收缩随石粉含量增加而减小。部分研究者的研究表明，机制砂混凝土早龄期的收缩比天然砂大，后期的收缩与天然砂相差不大。机制砂混凝土的早期抗开裂性能比河砂混凝土差，但在掺加粉煤灰后，机制砂混凝土的早期抗开裂性能则更优。随机制砂中石粉含量的增加，混凝土的抗裂性变差，当石粉含量大于7豫时，混凝土出现裂缝的时间大幅提前，单位面积上总开裂面积大幅增加。机制砂对混凝土弹性模量的影响结论存在一定的分歧，何盛东、刘立新等人的研究表明机制砂混凝土的弹性模量大于同水胶比天然砂混凝土，但王稷良、周明凯等人的研究结果表明，低石粉含量机制砂混凝土的弹性模量与天然砂混凝土弹性模量相近，机制砂混凝土的弹性模量随石粉含量的增大而减小。

2.5合理选择材料、科学设计配合比

鉴于机制砂与天然砂的差异性较大，只有科学选择材料、合理设计混凝土配合比才是保障混凝土质量的重要基础。在材料选取上应以高于天然砂率的机制砂为主。机制砂混凝土的含砂率与普通混凝土基本相同，因此在砂率的选择上也应选择适于材料体系的科学砂率。要选择低泥粉含量的机制砂，由于泥粉本身对混凝土性能影响较高，其中细集料的含泥量越高混凝土的强度便越低，且还会造成减水剂减水率的衰减，破坏混凝土的工作性，使用水量大幅度提升。因此最优选择应为在石料破碎前进行水洗的机制砂。需要依照混凝土应用环境选择石粉含量适中的机制砂，需要在选择过程中充分考虑环境对混凝土耐久性、体积稳定性产生的影响。同时要注意对于部分强度有要求的混凝土部位可适当提高石粉含量，若混凝土本身的抗裂度要求偏高，则要尽可能将石粉含量降到最低。要充分考虑生产机制砂原材料矿物组成不同对机制砂工作性能的影响，例如风化岩含量过高会导致搅拌运输过程中机制砂结构的破裂导致砂比表面积增大混凝土失去流动性，原石材中磷酸盐含量过高会导致外加剂吸附等。要依照不同材料拌制多个备用配合比，相较于天然砂，机制砂的性能波动幅度更大，为了避免出现意外状况，需要需要拌制多个备用配合比，以此更好地实现混凝土质量把控。第六，要适当添加减水剂，控制好减水率避免数值过低，在选择时需要以复合减水剂为主，起到降低石粉含量敏感性的作用。第七，由于在配制混凝土过程中容易产生泌水现象，需要适当加入引气剂或引起型减水剂来抑制此类现象。

2.6控制生产质量

首先要做好机制砂混凝土的日常管理，监控各项性能参数，确保水胶比满足设计配合比要求，且新拌混凝土的匀质性要得到合理把控，防止产生离析现象。其次要控制好机制砂的泵送压力值，若生产泵送过程中超出标准范围，则要启用备用配备比完成生产，而对于不符合使用要求的机制砂则需采取弃用处理。同时要注意在监测时，细度模数要保持稳定、减水剂质量控制要得到进一步提高，在添加减水剂前需要优先开展混凝土配合比复拌验证，在确认减水剂性能波动较低、不会破坏混凝土性能后才可投入使用。在此，要充分关注气候条件对拌合物施工造成的干扰程度，当出现天气异常时，要采取相关应对措施，防止配合比参数出现变化。最后要做好养护工作，由于机制砂混凝土的开裂风险远高于天然砂，因此对于养护工作质量与效率的要求也更高。在具体的养护过程之中，需要严格控制好机制砂混凝土的内外温度，让其内外温差能够符合温控指标，尤其是在夏秋季施工的项目，更要对机制砂混凝土的湿度及温差进行有效地控制，避免混凝土出现干燥开裂的情况，破坏其稳定性。通常施工人员应用薄膜覆盖法对混凝土进行保湿保温，该方式选取的覆盖物需要具有一定气密性，能够有效减少空气对流。除了做好保湿保温工作之外，还需要注意观察混凝土的结构强度，试验表明通过有效覆盖包裹塑料薄膜，其混凝土的回弹碳化值会显著降低，当其达到工程标准之后才可以对模板进行拆除，确保其强度能够充分增强浇筑块的稳定性以及抗裂能力，保障工程的施工质量。

结语

机制砂混凝土在我国工程建设施工中的应用将越来越普遍，是重要的发展方向。机制砂与天然砂特性具有很大差异，机制砂混凝土质量控制应与普通混凝土差别化对待。机制砂混凝土质量控制应比天然砂混凝土更加精心，应在材料选择、配合比设计以及生产控制3方面进行综合考虑，根据机制砂和机制砂混凝土本身的特点进行有针对性的控制和调整。

参考文献

[1]杨海峰,蒋家盛,李德坤.机制砂再生混凝土基本力学性能与微观结构分析[J].硅酸盐通报,2019,37(12):3946-3950.

[2]李家和,张保生,王云东.石灰岩高石粉含量机制砂混凝土配合比设计及性能研究[J].硅酸盐通报,2019,37(11):3641-3645,3651.

[3]闵婕，韩静云，宋旭艳援机制砂对新拌混凝土工作性影响及减水剂对其适应性研究[J].混凝土与水泥制品,2011（10）：106-109.