高吸附性機制砂混凝土施工性能調控研究

王振 黃法禮 李化建 王濤利 易忠來 楊志強

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.浙江交投麗新礦業有限公司，浙江麗水 323010

隨著優質天然河砂資源的不斷消耗，機制砂逐漸成為混凝土細骨料的主要來源［1］。工程實踐表明，高吸附性機制砂具有吸水率高的典型特征［2］，采用高吸附性機制砂制備的混凝土易出現泵送時堵管、澆筑后振搗困難、成型后結構不密實等現象［3］，影響混凝土結構的施工進程和服役性能。鐵路、公路等行業標準［4-5］通過規定機制砂吸水率指標限制高吸附性機制砂的應用。

機制砂高吸附性的一方面原因是生產過程中摻入了黏土礦物。蒙脫土、高嶺土和伊利土等主要黏土礦物具有鋁硅酸鹽層狀結構［6］，在混凝土中競爭吸附減水劑［7］、吸水膨脹［8］和阻礙水泥水化［9］，導致混凝土工作性能、力學性能、耐久性能和體積穩定性能均發生不同程度的劣化［10-11］。黏土礦物引起機制砂吸附性高的問題可通過控制機制砂生產工藝有效解決。

機制砂高吸附性的另一方面原因與母巖成巖過程密切相關，是機制砂自身的物理特性。鄧最亮［12］研究認為非洲馬普托大橋項目中的骨料吸水率大于3%的原因是巖石的多孔結構。Feng等［13］研究發現，相比于含有輝石鏈狀結構的石粉，聚羧酸減水劑更易插層吸附到含有白云母層狀結構的石粉上，而短側鏈的聚羧酸減水劑在兩種石粉中的分散差異性較小。張廣田等［14-15］研究認為硅質機制砂表面存在大量的硅氧斷裂鍵，通過陽離子形成雙電層大量吸附陰離子減水劑分子，進而開發出具有強分散和吸附絡合作用的改性劑提高硅質機制砂混凝土的工作性能。目前針對機制砂自身高吸附性對混凝土性能影響的研究較少，高吸附性機制砂的應用還存在技術瓶頸。

隨著機制砂應用范圍不斷拓展，各類不同成巖機理的巖石被用于生產機制砂，高吸附性機制砂在工程中的應用頻率逐漸升高［16］。本文以火成巖類高吸附性玄武巖機制砂為研究對象，從顆粒級配優化、石粉含量調整、預吸水處理、降低替代率和摻加專用保坍外加劑等方面研究高吸附性機制砂混凝土施工性能調控技術措施，以期為高吸附性機制砂的應用提供指導。

1 試驗

1.1 原材料

試驗所用的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥（C）和F類Ⅰ級粉煤灰（FA）滿足TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》［4］中的技術要求，其主要物理性能和化學組成見表1。河砂（HS）和玄武巖機制砂（XWY）的主要性能見表2，玄武巖機制砂的MB值為2.0 g/kg，吸水率為2.5%，具有顯著吸附性能。粗骨料（G）為5～20 mm連續級配碎石。試驗采用了4種減水劑，分別為：減水率32%、固含量28%的標準型聚羧酸減水劑（SP1）；減水率30%、固含量25%的保坍型聚羧酸減水劑（SP2）；減水率20%、固含量27%的脂肪族減水劑（SP3）；減水率20%的粉狀萘系減水劑（SP4）。水（W）為自來水。

表1 水泥和粉煤灰主要物理性能和化學組成

表2 細骨料主要性能

從材料角度采用不同技術手段對玄武巖機制砂進行調控，研究高吸附性機制砂混凝土施工性能變化規律。不同類型機制砂的制備方法如下：

1）不同顆粒級配機制砂：先將機制砂篩分成＜0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm共7個粒級，砂顆粒級配曲線見圖1。可知：玄武巖機制砂原始級配中粗顆粒含量比例高，超出GB/T 14684—2011《建設用砂》中2區界限，細度模數為3.3；級配A位于2區界限之間，細度模數為2.6；級配B用于對比試驗，其細顆粒含量比例高，細度模數為1.8。

圖1 砂顆粒級配

2）不同石粉含量機制砂：先將機制砂顆粒級配設置為級配A，然后再稱取定量石粉添入到級配A中制成石粉含量分別為0、3%、5%、8%、10%、15%的機制砂。

3）預濕機制砂：將級配A、石粉含量5%的機制砂在水中浸泡48 h，然后自然風干至飽和面干狀態，預濕機制砂的吸水率為2.5%。

4）不同替代率機制砂：采用級配A、石粉含量5%的機制砂替換河砂，制備成機制砂替代率分別為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%的混合砂。

1.2 配合比

參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》設計了混凝土配合比，見表3。HS為采用河砂制備的對照組混凝土；J1-J3為采用不同級配機制砂制備的混凝土；J4-J9為采用不同石粉含量機制砂制備的混凝土；J10為采用預濕機制砂制備的混凝土；J11-J17為采用不同替代率機制砂制備的混凝土；J18-J21為采用不同減水劑制備的玄武巖機制砂混凝土。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

J1-J3和J11-J17中減水劑摻量與HS中的摻量保持一致，J4-J9、J10和J18-J21中減水劑摻量與HS不同，目的是調整減水劑摻量將機制砂混凝土坍落度與河砂混凝土控制在相近水平，比較調控措施對降低混凝土制造成本的效果。J1-J18中，混凝土配合比中所用的減水劑均為標準型聚羧酸減水劑；J19中使用的減水劑是保坍型聚羧酸減水劑，J20中使用的減水劑是脂肪族減水劑，J21中使用的減水劑是萘系減水劑。

1.3 試驗方法

將水泥、粉煤灰、砂、碎石按照配合比加入攪拌機中，啟動攪拌機強制攪拌30 s，再在攪拌好的混合材料中加入水和外加劑，強制攪拌180 s，制得新拌混凝土。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試新拌混凝土坍落度和含氣量。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》成型邊長100 mm立方體試件，標準養護至規定齡期后測試試件抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 顆粒級配對混凝土性能的影響

顆粒級配對機制砂混凝土工作性能的影響見圖2。減水劑摻量相同時，機制砂混凝土的初始坍落度小于河砂混凝土；河砂混凝土60 min后的經時坍落度為160 mm，而60 min后不同級配的機制砂混凝土均無流動性。玄武巖機制砂由于具有高吸附性，在水泥漿體中逐漸吸附減水劑分子和水，導致減水劑分散作用降低以及自由水含量減少［17］，機制砂混凝土的工作性能顯著損失。J1和J3的初始坍落度比J2分別小10.8%和5.4%。玄武巖機制砂原始級配細度模數為3.3，粗顆粒含量高，混凝土泌水傾向大；級配B細度模數為1.8，細顆粒質量分數比例高，機制砂的總比表面積大，對減水劑和水的吸附性增強，且在流變過程中對漿體需求量更高；級配A細度模數為2.6，粗、細顆粒含量比例合理，對混凝土工作性能貢獻優于原始級配機制砂和級配B機制砂。

圖2 顆粒級配對機制砂混凝土工作性能的影響

顆粒級配對機制砂混凝土抗壓強度的影響見圖3。機制砂混凝土的28 d抗壓強度均高于河砂混凝土，機制砂中石粉填充效應［18］以及顆粒棱角性強［19］有利于提升混凝土的抗壓強度。級配B機制砂混凝土的抗壓強度最高，可能與機制砂中細顆粒含量高，填充效果更強有關［20］。高吸附性機制砂對混凝土抗壓強度無劣化作用，優化機制砂級配可改善高吸附性機制砂混凝土的初始工作性能，但對改善高吸附性機制砂混凝土經時工作性能的效果有限。

圖3 顆粒級配對機制砂混凝土抗壓強度的影響

2.2 石粉含量對混凝土性能的影響

石粉含量對機制砂混凝土工作性能的影響見圖4。通過調整減水劑摻量，機制砂混凝土的初始坍落度均能達到185～200 mm，但機制砂的高吸附性致使60 min后不同石粉含量機制砂混凝土均無流動性。隨著機制砂中石粉含量的增大，達到目標初始坍落度的減水劑摻量不斷提升，15%石粉含量機制砂混凝土比不含石粉機制砂混凝土的減水劑用量增加了60.5%，這是因為石粉含量增大，機制砂的總比表面積增加［21］，水泥漿體中水和減水劑的吸附性增強。

圖4 石粉含量對機制砂混凝土工作性能的影響

石粉含量對機制砂混凝土抗壓強度的影響見圖5。隨著石粉含量的增大，機制砂混凝土的抗壓強度增加，10%石粉含量的機制砂混凝土28 d抗壓強度最高，是河砂混凝土抗壓強度的106.0%。機制砂石粉填充作用和成核作用有利于混凝土抗壓強度的提升［22］；對于高吸附性的玄武巖機制砂，石粉含量增大加強了對漿體中自由水吸附作用，減小了新拌混凝土的有效水膠比［20］，使機制砂混凝土抗壓強度較高。石粉含量為15%時，機制砂混凝土抗壓強度開始略有降低，石粉超過最佳摻量可能破壞骨料的緊密堆積結構［23］，且稀釋漿體中水泥水化產物濃度［24］，使漿-骨界面薄弱，不利于混凝土強度提升。高吸附性機制砂混凝土的工作性能特點是工作性能保持難，調整石粉含量對于經時坍落度改善效果不明顯，但根據實際需求控制石粉含量在合理范圍內，可以降低減水劑摻量從而達到控制生產成本和提升混凝土抗壓強度的效果。

圖5 石粉含量對機制砂混凝土抗壓強度的影響

2.3 預濕機制砂對混凝土性能的影響

預濕機制砂對混凝土工作性能的影響見圖6。相同坍落度條件下，預濕機制砂混凝土和干燥機制砂混凝土的減水劑摻量分別為4.3、1.8 kg/m3。機制砂的吸水率為2.5%，采用預濕機制砂相當于每立方米混凝土中用水量增加了20.8 kg，因此減水劑的需求量降低。預濕機制砂對混凝土抗壓強度的影響見圖7。用水量提升增大了機制砂混凝土水膠比，預濕機制砂使混凝土7 d和28 d抗壓強度分別降低了4.8%和3.5%。

圖6 預濕機制砂對混凝土工作性能的影響

圖7 預濕機制砂對混凝土抗壓強度的影響

2.4 機制砂替代率對混凝土性能的影響

機制砂替代率對混凝土工作性能的影響見圖8。在減水劑摻量均為4.4 kg/m3的條件下，隨著機制砂替代率增大，混凝土初始坍落度降低，機制砂替代率為60%時，混凝土初始坍落度降低了14.3%；混凝土60 min坍落度隨著機制砂替代率增大呈現出較大程度降低，當機制砂替代率為60%時，混凝土60 min坍落度降低了62.5%。當機制砂替換率在30%以內時，混凝土的工作性能與河砂混凝土相當，此時高吸附性機制砂的負面效應不明顯；當機制砂替代率超過30%時，由于玄武巖機制砂的吸附作用增大，混凝土的經時工作性能損失顯著。

圖8 機制砂替代率對混凝土工作性能的影響

機制砂替代率對混凝土抗壓強度的影響見圖9。機制砂替代部分河砂后，混凝土的抗壓強度提高，替代率為10%、20%、30%、40%、50%、60%的混凝土，56 d抗壓強度分別提高了1.88%、2.44%、4.51%、4.89%、5.08、4.89%，這與機制砂替代部分河砂后發揮石粉填充效應、顆粒棱角特性以及吸水效應有關。機制砂替代率在30%以內時不顯著影響混凝土工作性能，且能提升混凝土的抗壓強度。

圖9 機制砂替代率對混凝土抗壓強度的影響

2.5 減水劑類型對混凝土性能的影響

減水劑類型對機制砂混凝土工作性能的影響見圖10。機制砂混凝土的坍落度相同時，標準型聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑、脂肪族減水劑和萘系減水劑的摻量分別為4.3、4.2、10.0、7.5 kg/m3。由于減水劑在水泥漿體中的效應不同，減水劑摻量的差異性較大，脂肪族減水劑和萘系減水劑的摻量顯著高于聚羧酸減水劑。采用標準型聚羧酸減水劑制備的機制砂混凝土60 min后已完全無工作性，原因是聚羧酸減水劑被機制砂逐漸吸附，削弱了其在混凝土中的分散作用。采用保坍型聚羧酸減水劑制備的機制砂混凝土經時坍落度較好，60 min時坍落度為175 mm，高于河砂混凝土的60 min坍落度，這與保坍型聚羧酸減水劑在水泥水化堿性環境中不斷水解釋放保坍組分有關［25］。盡管機制砂對減水劑分子有高吸附作用，但緩釋的聚羧酸減水劑小分子能夠不斷補充被吸附的減水劑分子，保持了機制砂混凝土的良好工作性能。采用脂肪族減水劑和萘系減水劑制備的機制砂混凝土，60 min經時坍落度分別為55、65 mm，優于摻加標準型聚羧酸減水劑的機制砂混凝土。脂肪族減水劑和萘系減水劑的減水效能不及聚羧酸減水劑［26-27］，在大摻量條件下才能發揮良好的分散作用，機制砂吸附脂肪族減水劑和萘系減水劑分子達到飽和狀態后，剩余的減水劑分子在水泥漿體中繼續發揮減水作用，因此機制砂混凝土的經時坍落度較小但還未完全損失。綜上可知，制備經時工作性能良好的高吸附性機制砂混凝土宜優先選用保坍型聚羧酸減水劑。

圖10 減水劑類型對混凝土工作性能的影響

減水劑類型對機制砂混凝土抗壓強度的影響見圖11。摻加標準型聚羧酸減水劑、保坍型聚羧酸減水劑、脂肪族減水劑和萘系減水劑的混凝土，28 d抗壓強度相比河砂混凝土增大了6.0%、1.7%、3.5%、3.9%。標準型聚羧酸減水劑制備的機制砂混凝土抗壓強度最高，可能是減水劑分子被吸附量大，減水作用被顯著削弱，混凝土中自由水較少，致使混凝土抗壓強度相對較大。

圖11 減水劑類型對混凝土抗壓強度的影響

3 結論

1）相同減水劑摻量時，高吸附性玄武巖機制砂混凝土的工作性能與河砂混凝土相近，由于高吸附性玄武巖機制砂持續吸附水泥漿體中減水劑分子和自由水，機制砂混凝土坍落度損失顯著高于河砂混凝土。

2）降低高吸附性機制砂中石粉含量和優化機制砂顆粒級配等傳統調控機制砂自身性能的方法，以及預濕機制砂的工藝調控方法，均能夠提升混凝土的初始工作性能，但對經時工作性能的改善效果不明顯。

3）高吸附性機制砂替代30%質量分數河砂的配合比調控方法可制備出經時工作性能良好的混凝土；使用保坍型聚羧酸減水劑是制備替代率100%的高吸附性機制砂且經時工作性能良好混凝土的最佳措施。