化學成分檢測助力機制砂混凝土性能提升

莊凱群，馬永勝，宋少民，劉瑞朝，郭宇軒，蔣澤宇

(1.北京建筑大學，建筑結構與環境修復功能材料北京市重點試驗室，北京 100044； 2.北京砼享未來工程技術研究院，北京 100024)

機制砂是現代預拌混凝土的重要組成材料之一，不同巖性、不同種類、不同特性、不同來源的機制砂對混凝土性能有著不同的影響。許多機制砂在級配、壓碎指標、空隙率、石粉含量(MB值)滿足要求時，生產出的混凝土各方面性能仍不能滿足實際應用要求，經常會出現觸變性差、流動性差、經時損失大、泌水、離析等問題，從而影響施工質量。宋少民等[1]發現鈣質機制砂表面結構穩定性好，質量缺陷少，與硅質機制砂相比，表現出了更好的需水行為和更低的吸附性。李崇智等[2]通過機制砂與外加劑的試驗研究發現，鈣質機制砂具有一定的憎水性且ζ電位低，分散性好，而硅質機制砂具有一定的親水性且ζ電位高，所以分散性差。

張廣田等[3]通過對四種硅質機制砂中石粉的研究，發現硅質石粉對砂漿及混凝土的流動性不利，加入合適的改性劑可改善此問題。孫星海等[4]認為，鈣質機制砂的級配對混凝土強度的影響不大，而硅質機制砂的級配對混凝土強度的影響較大。陳平等[5]、李科誠等[6]發現鈣質石粉的流動度明顯高于硅質石粉，張學鋒等[7]發現花崗巖石粉需水量比遠高于石灰巖、玄武巖石粉。李小龍等[8]研究了不同巖性機制砂與外加劑相容性的影響，其中花崗巖機制砂與減水劑的相容性較輝綠巖、石灰巖差。宋德洲等[9]發現凝灰巖機制砂母巖中的SiO2含量越高機制砂吸附性越弱。王軍偉等[10]發現機制砂的層狀硅酸鹽礦物含量高、Zeta電位絕對值大，對減水劑吸附性能強。以上研究表明，不同質地的機制砂與外加劑作用也不盡相同，從而造成混凝土工作性和其他性能的差異。

目前，國內外檢測機制砂與外加劑相容性、吸附性的方法主要有三種：(1)檢驗MB值是否高于1.4，確定機制砂中75 μm以下顆粒是以泥為主還是以石粉為主，從而判斷其對外加劑吸附性的影響。這種方法只能檢測出機制砂中黏土對外加劑的影響，而檢測不出機制砂母巖性能對外加劑的影響。(2)通過XRD分析機制砂母巖種類來判斷其對外加劑吸附性、相容性的影響。這種試驗設備昂貴，且對檢測人員的門檻要求較高，無法大范圍推廣。(3)通過混凝土試拌試驗檢測機制砂對外加劑的影響，這種方法與生產混凝土相關性好，但試驗時間長、無法快速檢測，往往檢驗出結果時，機制砂已經使用完畢。

作者在工程實踐中通過大量試驗發現：根據機制砂中氧化物成分(質量分數)，可以將其區分為高鈣含量機制砂、高硅含量機制砂、高鋁含量機制砂和高鐵含量機制砂。其中：高鈣含量機制砂為化學組分中CaO含量占比最高的機制砂；高硅含量機制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超過15%，Fe2O3含量不超過10%的機制砂；高鋁含量機制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量超過15%，Fe2O3含量不超過10%的機制砂；高鐵含量機制砂是SiO2含量占比最高，且Al2O3含量不超過15%，Fe2O3含量超過10%的機制砂。成分的不同決定其特性的不同，依據其不同特性調整相應的混凝土泵送劑組分，優化混凝土配合比，提升混凝土綜合性能，得到滿足工程使用要求的混凝土。

試驗選取的A、B、C、D四種機制砂分別來自山東省濰坊市陸海港砂廠、吉林省四平市西風砂廠、山東省煙臺市黑羊山砂廠、吉林省長春市恒泰砂廠，其物理性能檢測參數見表1，其顆粒級配見表2。

表1 機制砂物理性能檢測參數Table 1 Physical performance testing parameters of artificial sand

表2 機制砂顆粒級配Table 2 Particle grading of artificial sand

按照GB/T 176—2017《水泥化學分析方法》中的氯化銨重量法、氟硅酸鉀法等方法，對機制砂化學成分進行分析，四種機制砂化學成分中主要氧化物檢測結果見表3。由表3數據可知，A為高鈣含量機制砂，B為高硅含量機制砂，C為高鋁含量機制砂，D為高鐵含量機制砂。混凝土配合比試驗依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行，混凝土強度等級以C30為例，配合比設計考慮四種不同機制砂。為進行性能優化，需要根據不同機制砂特點調整外加劑成分及其比例，即泵送劑組成需要優化。

其中基準混凝土配合比采用基準泵送劑，即I型減水劑為主要減水組分，輔以葡萄糖酸鈉為功能型輔助組分復配而成，該泵送劑組分配伍是混凝土中最常見的一種形式，作為基準混凝土專用泵送劑與優化后的其他四種混凝土泵送劑進行性能比較。

比對混凝土配合比依據四種機制砂各自特點進行相應調整，包括設計與機制砂種類相適應的基準混凝土配合比，以及選取相應的外加劑并確定添加比例。高鈣含量機制砂A表面能低，需水行為更好，對外加劑吸附性更低，所以泵送劑A選用具有保水功能的麥芽糊精、海藻酸鈉替換掉葡萄糖酸鈉以改善混凝土的保水性、抗離析性；高硅含量機制砂B有一定的親水性及對外加劑的吸附性，所以泵送劑B中加入了二甲基二烯丙基氯化銨、硫代硫酸鈉以降低機制砂對外加劑的吸附性，改善混凝土的觸變性；機制砂C鋁含量高，對外加劑吸附性大，與外加劑相容性差，所以泵送劑C選用保坍性能更好的II型(緩釋型)減水劑，并加入改性檸檬酸鈉以改善機制砂C層狀結構的表面性能，降低負電荷，減少機制砂C對外加劑的吸附性。機制砂D鐵含量高，對混凝土的坍落度損失影響大，所以泵送劑D加入了羥基乙叉二膦酸、焦磷酸鈉以減少混凝土的坍落度損失。

表3 機制砂的化學成分Table 3 Chemical composition of artifical sand

基準泵送劑和針對不同機制砂優化后的泵送劑的組成(均為質量分數)見表4，主要性能指標見表5。

表4 混凝土泵送劑的組成Table 4 Composition of concrete pumping agents

表5 混凝土泵送劑性能指標Table 5 Performance index of concrete pumping agent

按照表6中基準混凝土和比對混凝土配合比進行配合比試驗，其中，S-01、S-03、S-05、S-07為與四種機制砂相對應的基準混凝土配合比，S-02、S-04、S-06、S-08為針對四種機制砂進行泵送劑組成優化后的混凝土配合比。

依據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》、GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》對混凝土拌合物進行工作性、28 d立方體抗壓強度、電通量、收縮率測試，測試結果見圖1、圖2。

由圖1可見：與S-01相比，S-02的倒置坍落度筒排空時間和泌水率均顯著降低，表明使用泵送劑A解決了高鈣含量機制砂對外加劑摻量敏感的問題；S-04混凝土坍落度、擴展度明顯優于S-03，表明泵送劑B解決了高硅含量機制砂吸附性大、黏度大的問題；S-06混凝土坍落度、擴展度遠大于S-05，且相應的坍落度損失、擴展度損失要更小，表明泵送劑C解決了高鋁含量機制砂吸附性大、與外加劑相容性差的問題；對于高鐵含量機制砂混凝土，優化后的S-08坍落度損失和擴展度損失遠小于S-07，表明泵送劑D有效改善了該類混凝土坍落度、擴展度損失大的問題。此外，28 d立方體抗壓強度試驗結果表明，S-02、S-04、S-06、S-08四組混凝土28 d抗壓強度均高于S-01、S-03、S-05、S-07的混凝土強度。

表6 混凝土試驗配合比Table 6 Mix ratio of concrete /(kg·m-3)

圖1 混凝土拌合物性能Fig.1 Performance of concrete mixture

圖2 混凝土28 d收縮率與電通量Fig.2 Shrinkage rate and coulomb electric flux of concrete in 28 d

由圖2可以看出，外加劑組分調整后的混凝土(即比對混凝土)28 d收縮率及28 d電通量均小于基準混凝土，表明混凝土的耐久性得到了進一步提升。另外，通過對四組混凝土的成本進行分析，發現依據機制砂的特性來調整混凝土外加劑的組分可有效降低混凝土綜合成本，提高混凝土的經濟性。

綜上，新常態下機制砂性能多變，通過化學成分分析，可以將其快速分類為高鈣含量機制砂、高硅含量機制砂、高鋁含量機制砂、高鐵含量機制砂四類，根據不同機制砂的特性調整混凝土外加劑組分、優化混凝土配合比，能有效改善不同種類機制砂混凝土性能的不足，快速有效調整混凝土工作性能，對預拌混凝土生產企業實際生產質量控制起到一定支撐及指導意義。