機(jī)制砂石粉對(duì)聚羧酸減水劑性能影響

夏志偉，陳俊，熊義俊（1.中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司技術(shù)咨詢分公司，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著建筑工程行業(yè)的快速發(fā)展，天然砂資源的緊缺，機(jī)制砂逐步取代河砂，廣泛應(yīng)用于各大重點(diǎn)工程中[1]。由于部分地區(qū)機(jī)制砂應(yīng)用時(shí)間較短，機(jī)制砂生產(chǎn)材料、設(shè)備、工藝等多方面影響[2-4]，在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，與河砂相比，機(jī)制砂應(yīng)用于混凝土中存在質(zhì)量波動(dòng)范圍大，對(duì)聚羧酸減水劑敏感性強(qiáng)等問題，主要表現(xiàn)在混凝土流動(dòng)性差、包裹性差、容易離析泌水，外加劑摻量高，混凝土塌落度損失快等，影響了機(jī)制砂的推廣和應(yīng)用[5-6]。

本文針對(duì)不同巖性、含量和細(xì)度的機(jī)制砂石粉對(duì)聚羧酸減水劑性能影響開展試驗(yàn)，研究機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑性能的影響，從而指導(dǎo)機(jī)制砂的生產(chǎn)和混凝土減水劑類別的選用，具有一定的實(shí)際意義。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用葛洲壩三峽牌PII 42.5水泥，堿含量為0.41%。粉煤灰選用華能應(yīng)城熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰，細(xì)度為9.4%，燒失量為2.68%，需水量比為94%。外加劑采用中交二航新材公司生產(chǎn)的CP-J聚羧酸外加劑。機(jī)制砂為石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖經(jīng)過水洗、破碎、整形制備而成。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）飽和點(diǎn)。采用水泥膠砂試驗(yàn)，通過改變減水劑摻量，觀察膠砂擴(kuò)展度及泌水情況，判斷聚羧酸減水劑的飽和摻量。飽和點(diǎn)的確認(rèn)：在基礎(chǔ)摻量上每次增加0.1%～0.2%減水劑量，并重復(fù)上述操作，直至膠砂擴(kuò)展度沒有變化或出現(xiàn)泌水環(huán)為止，則前一次減水劑用量為其飽和點(diǎn)。

（2）膠砂試驗(yàn)。膠砂試驗(yàn)質(zhì)量配合比：水泥=450 g，機(jī)制砂=1 350 g，水膠比為0.38。膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》（GB/T 2419—2005）進(jìn)行。

（3）保坍性能。通過測(cè)試膠砂0，30，60，90，120 min時(shí)流動(dòng)度，通過變化值來表征。

（4）含氣量。采用混凝土試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂石粉對(duì)外加劑飽和摻量影響的研究

2.1.1 不同巖性機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑飽和摻量影響

分別采用石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖三種機(jī)制砂進(jìn)行試驗(yàn)，三種機(jī)制砂含粉量均控制在10%±0.5%，MB值控制在1.0±0.2，細(xì)度模數(shù)控制在2.8±0.2。不同巖性機(jī)制砂與三種聚羧酸減水劑進(jìn)行飽和點(diǎn)試驗(yàn)，三種聚羧酸減水劑分別為酯類減水劑（J-1）、醚類減水劑（J-2）、醚酯共聚類減水劑（J-3），數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 不同巖性機(jī)制砂與聚羧酸減水劑的飽和摻量

通過圖1得知，不同巖性的機(jī)制砂與不同類型的聚羧酸減水劑的飽和摻量均不相同，玄武巖機(jī)制砂中三種減水劑的的飽和摻量均高于其他兩種機(jī)制砂，表明相同條件下，采用玄武巖機(jī)制砂，需提高減水劑的摻量來達(dá)到同等工作性能。石灰?guī)r機(jī)制砂與花崗巖機(jī)制砂中減水劑飽和點(diǎn)摻量均表現(xiàn)出J-1酯類減水劑的摻量最高，相比其他兩類減水劑，酯類減水劑減水率偏低，造成飽和摻量較高，但J-1酯類減水劑在三種機(jī)制砂中減水劑飽和點(diǎn)變化較小，表明J-1酯類減水劑對(duì)機(jī)制砂骨料巖性變化有較好的適應(yīng)性，適用于機(jī)制砂骨料來源復(fù)雜、頻繁變化的混凝土。J-2醚類減水劑在灰?guī)r機(jī)制砂與花崗巖機(jī)制砂中的飽和點(diǎn)摻量是最低，表現(xiàn)出高的減水率和分散性，但在玄武巖機(jī)制砂中飽和點(diǎn)摻量大幅提高，出現(xiàn)較大變化，表明J-2醚類減水劑適合用于石灰?guī)r和花崗巖機(jī)制砂混凝土，具有高減水率和低成本優(yōu)勢(shì)，巖性變化對(duì)J-2醚類減水劑有較大的影響，玄武巖機(jī)制砂混凝土中提高J-2減水劑摻量。J-3醚酯共聚類減水劑性能介于J-1和J-2之間。

2.1.2 不同石粉含量機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑飽和摻量影響

選用石灰?guī)r機(jī)制砂，通過水洗分離出粒徑0.075 mm以下石粉，石粉經(jīng)過烘干處理后按照0，5%，10%，15%，20%質(zhì)量比配制成不同石粉含量的機(jī)制砂。不同石粉含量機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度隨減水劑摻量變化及聚羧酸減水劑的飽和摻量數(shù)據(jù)見圖2～7。

圖2 砂漿流動(dòng)度隨J-1減水劑摻量變化

圖3 石粉含量對(duì)J-1減水劑飽和影響

圖4 砂漿流動(dòng)度隨J-2減水劑摻量變化

通過圖2～7實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于3種減水劑而言，隨機(jī)制砂中石粉含量的增加，減水劑的飽和點(diǎn)增大，混凝土中減水劑摻量逐步增大。通過砂漿流動(dòng)度隨減水劑摻量變化情況看出，減水劑接近飽和點(diǎn)摻量時(shí)，隨著石粉含量增加，砂漿流動(dòng)度變化越大，表現(xiàn)出減水劑摻量敏感性加強(qiáng)，摻量的細(xì)微增加就會(huì)導(dǎo)致砂漿流動(dòng)度很大的變化，使得減水劑摻量可調(diào)范圍小，不利于現(xiàn)場(chǎng)控制。對(duì)比三種減水劑而言，J-1酯類和J-3醚酯共聚類減水劑在高石粉機(jī)制砂中流動(dòng)度隨摻量變化相對(duì)較小，J-2醚類在高石粉機(jī)制砂中接近飽和摻量時(shí)流動(dòng)性變化較大，表現(xiàn)出明顯的減水劑敏感性[7]。根據(jù)上述結(jié)果分析，在石粉含量較高和波動(dòng)性較大的機(jī)制砂混凝土中，混凝土的流動(dòng)性會(huì)隨減水劑摻量變化出現(xiàn)較大的波動(dòng)，需要嚴(yán)格控制減水劑摻量及調(diào)整范圍，宜采用酯類減水劑和醚酯共聚類減水劑，降低混凝土減水劑摻量敏感性。

圖5 石粉含量對(duì)J-2減水劑飽和影響

圖6 砂漿流動(dòng)度隨J-3減水劑摻量變化

圖7 石粉含量對(duì)J-3減水劑飽和影響

2.1.3 不同細(xì)度石粉機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑飽和摻量影響

選用石灰?guī)r機(jī)制砂，通過水洗去除0.075 mm粒徑以下石粉，按照8%的質(zhì)量比，分別摻入300目、500目、700目、1000目的磨細(xì)石灰石粉。不同細(xì)度的石粉機(jī)制砂與聚羧酸減水劑的飽和點(diǎn)數(shù)據(jù)見圖8～9。

圖8 J-3減水劑流動(dòng)度隨摻量變化

從圖8中可以看出，當(dāng)石粉細(xì)度在300～700目時(shí)，砂漿流動(dòng)隨減水劑變化趨勢(shì)相近，隨著細(xì)度的增加，砂漿流動(dòng)度逐步增大，主要是由于石灰石粉具有較低的需水量和減水劑吸附性[8-9]，隨著石粉細(xì)度的增加，能夠?qū)λ嗥鸬接行У奶畛渥饔?，置換出更多的自由水，提高了砂漿的流動(dòng)性。當(dāng)石粉細(xì)度為1 000目時(shí)，砂漿流動(dòng)性急劇降低，同時(shí)在接近飽和摻量時(shí)表現(xiàn)出明顯的減水劑摻量敏感性。

從圖9中可以看出：石粉細(xì)度對(duì)減水劑的飽和摻量點(diǎn)有影響，700目石粉機(jī)制砂表現(xiàn)出較低的飽和摻量，有利于降低機(jī)制砂混凝土的減水劑用量。1 000目石粉機(jī)制砂的飽和摻量大幅增加，在機(jī)制砂混凝土中需要提高減水劑摻量。

圖9 J-3減水劑流動(dòng)度隨摻量變化

2.2 機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑保坍落性能影響的研究

2.1.1 不同巖性機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑保坍性能影響

針對(duì)三種巖性的機(jī)制砂按上述飽和點(diǎn)試驗(yàn)所確定的J-1、J-2、J-3減水劑飽和摻量進(jìn)行砂漿試驗(yàn)，測(cè)試膠砂流動(dòng)度的0，30，60，90，120 min時(shí)的流動(dòng)度，來表征減水劑的保坍性，見圖10～12。

圖10 J-1減水劑砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化

圖11 J-2減水劑砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化

圖12 J-3減水劑砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化

從圖10～12減水劑砂漿流動(dòng)度隨時(shí)間變化可以看出，對(duì)于同種減水劑在三種不同巖性的機(jī)制砂中均表現(xiàn)出，膠砂流動(dòng)性均隨時(shí)間的增加而降低，相比石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂，玄武巖機(jī)制砂膠砂流動(dòng)性變化最為明顯，膠砂流動(dòng)性經(jīng)時(shí)損失大；摻有J-1酯類減水劑、J-3醚酯共聚型減水劑的膠砂中，花崗巖機(jī)制砂、玄武巖機(jī)制砂、灰?guī)r機(jī)制砂均有相近的流動(dòng)性損失情況；J-2醚類聚羧酸減水劑在石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂流動(dòng)性損失與其他兩種減水劑相近，在玄武巖機(jī)制砂膠砂組工作性損失較大。根據(jù)上述結(jié)果分析，在玄武巖機(jī)制砂混凝土中，可能表現(xiàn)出坍落度損失較大的問題，宜采用酯類減水劑，或適當(dāng)提高減水劑保坍組分。

2.1.2 不同石粉含量機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑保坍性能影響

不同石粉含量（5%，10%，15%，20%）機(jī)制砂，按上述飽和點(diǎn)試驗(yàn)所確定的J-3減水劑飽和點(diǎn)處，測(cè)試膠砂流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)變化來表征減水劑的保坍性。

由圖13砂漿流動(dòng)度60min損失值可知：隨著石粉含量增加，砂漿流動(dòng)度60 min損失值逐漸增大，三種減水劑保坍性能逐漸下降。石粉含量在5%～10%之間時(shí)，流動(dòng)度損失值變化較小，當(dāng)石粉含量超過15%時(shí)，砂漿流動(dòng)度損失值增加較快，減水劑的保坍性能大幅下降。根據(jù)上述結(jié)果分析，機(jī)制砂石粉含量超過10%時(shí)，機(jī)制砂混凝土中減水劑的保坍性可能大幅下降，需要合理控制石粉含量，及時(shí)調(diào)整減水劑的保坍組分。

圖13 J-3減水劑砂漿流動(dòng)度60 min損失值

2.2.3 不同細(xì)度石粉機(jī)制砂石粉對(duì)減水劑保坍性能影響

采用不同細(xì)度的石粉按照8%的比例摻入到不含石粉的機(jī)制砂中，研究石粉細(xì)度對(duì)減水劑保坍性能的影響，見圖14。

圖14 不同細(xì)度石粉的機(jī)制砂60 min砂漿流動(dòng)損失值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)石粉細(xì)度小于等于700目時(shí)，隨著石粉含量的提高，砂漿60 min流動(dòng)度損失基本不變，對(duì)減水劑的保坍性能影響較小，當(dāng)石粉細(xì)度為1 000目時(shí)，砂漿流動(dòng)度60 min損失值急劇增加，減水劑的保坍性能下降。

2.3 機(jī)制砂石粉含量對(duì)減水劑引氣性能的研究

為了保證混凝土具有良好的工作狀態(tài)，通常外加劑中會(huì)復(fù)配一定量的引氣劑，采用引氣劑相同的外加劑，在保證坍落度一致的情況下，測(cè)試不同石粉含量機(jī)制砂拌制混凝土的含氣量。結(jié)果見圖15。

圖15 不同巖性機(jī)制砂混凝土含氣量

結(jié)果表明，不同巖性機(jī)制砂制備的混凝土出機(jī)含氣量差異較小，母巖類型對(duì)減水劑的引氣性能影響較小。相比而言，玄武巖機(jī)制砂混凝土1h含氣量較低，混凝土含氣量損失較大。

不同石粉含量機(jī)制砂混凝土含氣量見圖16。結(jié)果表明隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土含氣量先增加后減小。本實(shí)驗(yàn)中石粉含量在5%時(shí)減水劑引氣效果最好，但混凝土保氣性能較差，石粉含量為10%時(shí)，減水劑的引氣性能及混凝土的保氣性能較好。這主要是由于石粉含量較低時(shí)，混凝土狀態(tài)較差，容易出現(xiàn)泌水，漿體黏度低，導(dǎo)致混凝土難以引入穩(wěn)定氣泡；隨著石粉含量的增加，混凝土漿體黏度適中，引氣劑容易引入氣泡，同時(shí)混凝土具有良好的保氣性能；當(dāng)石粉含量較高時(shí)，混凝土黏度繼續(xù)增加，漿體表面張力增大，使得引氣劑很難引入氣泡，混凝土含氣量低，工作狀態(tài)差。

圖16 不同石粉含量機(jī)制砂混凝土含氣量

不同石粉含量機(jī)制砂混凝土含氣量見圖17。

圖17 不同石粉細(xì)度機(jī)制砂混凝土含氣量

圖17結(jié)果表明隨著機(jī)制砂石粉細(xì)度增加，混凝土含氣量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，石粉細(xì)度為500目時(shí)，減水劑的引氣性能最佳。不同細(xì)度石粉的機(jī)制砂混凝土的含氣量損失情況基本相近，對(duì)混凝土保氣性能影響較小。

上述研究表明石粉含量對(duì)引氣劑有很大影響，為保證混凝土具有適當(dāng)?shù)暮瑲饬亢土己玫墓ぷ鳡顟B(tài)，需要根據(jù)機(jī)制砂石粉含量調(diào)整減水劑中的引氣劑用量。

3 結(jié)論

（1）不同巖性的機(jī)制砂對(duì)聚羧酸減水劑的影響各不相同，玄武巖機(jī)制砂的減水劑飽和摻量最高，花崗巖機(jī)制砂飽和摻量次之，灰?guī)r機(jī)制砂飽和摻量最低。酯類與醚酯共聚型聚羧酸減水劑在不同巖性的機(jī)制砂中有相近的流動(dòng)性保持能力，醚類減水劑在玄武巖機(jī)制砂的保坍性能較差。母巖類對(duì)減水劑的引氣性能影響較小，玄武巖機(jī)制砂混凝土1h混凝土含氣量損失較大。石灰?guī)r機(jī)制砂、玄武巖機(jī)制砂宜選用醚類或醚酯共聚型聚羧酸減水劑，玄武巖機(jī)制砂宜選用酯類或醚酯共聚型聚羧酸減水劑。

（2）酯類和醚酯共聚類減水劑在高石粉機(jī)制砂中流動(dòng)度隨摻量變化相對(duì)平緩，醚類在高石粉機(jī)制砂中接近飽和摻量時(shí)流動(dòng)度隨摻量出現(xiàn)劇烈變化，表現(xiàn)出明顯的減水劑敏感性。機(jī)制砂石粉含量超過10%時(shí)保坍性能下降較快。隨著石粉含量的增加，機(jī)制砂混凝土含氣量先增加后減小。石粉含量為10%時(shí)，減水劑的引氣性能及混凝土的保氣性能較好。在石粉含量較高和波動(dòng)性較大的機(jī)制砂混凝土中，宜采用酯類減水劑和醚酯共聚類減水劑。

（3）石粉細(xì)度對(duì)減水劑的飽和摻量點(diǎn)有影響，700目石粉機(jī)制砂減水劑飽和摻量低。當(dāng)石粉細(xì)度小于等于700目時(shí)，機(jī)制砂石粉細(xì)度對(duì)減水劑的保坍性能影響較小，石粉細(xì)度為1 000目時(shí)，減水劑的保坍性能下降。隨著機(jī)制砂石粉細(xì)度增加，混凝土含氣量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，石粉細(xì)度為500目時(shí)，減水劑的引氣性能最佳，不同細(xì)度石粉的機(jī)制砂混凝土保氣性能相近。