不同細度模數(shù)的細集料對混凝土減水劑和減水率的試驗研究

羅玉艷，趙寶生，韓姍姍

（1.云南開放大學(xué)，云南 昆明 650223；2.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650223；3.云南大學(xué)，云南 昆明 650500）

0 引言

采用不同粒徑按照比例采用連續(xù)級配拌制混凝土，具有良好的強度和易性基礎(chǔ)，泌水、離析現(xiàn)象也不易發(fā)生。大粒徑砂充當骨架作用，小粒徑砂填充空隙，在膠結(jié)材料的共同作用下提高混凝土性能，細度模數(shù)越大，容易造成混凝土離析泌水現(xiàn)象；反之，容易導(dǎo)致混凝土用水量不易控制強度受影響。有研究表明：細集料細度模數(shù)越大其比表面積越小，混凝土保水性會隨之下降［1，2］。也有研究指出細集料顆粒外觀及紋理對混凝土工作性能也有較大影響［3］。隨著含泥量的增加，水泥膠砂流動度減小［4］。王雷［5］、袁征［6］等人提出的利用水泥凈漿流動度的方法測定減水劑減水率（以下簡稱“凈漿法”）。本文是在滿足砂是連續(xù)級配的情況下，研究了不同細度模數(shù)的砂對膠砂流動度的影響，進一步確定了細度模數(shù)對減水率的影響規(guī)律。

1 細集料細度模數(shù)對減水劑減水率的影響

1.1 細度模數(shù)的影響

不同細度模數(shù)的砂對混凝土影響較大，與水結(jié)合狀態(tài)存在明顯差異。隨著砂細度模數(shù)的增大，顆粒比表面積隨之減小，在其他材料不變的情況，則包裹這些砂所需的水泥漿減少，進而膠砂流動度偏大、偏稀。通過適當降低用水量，才能夠保證砂漿達到（180±5）mm基準流動度。本文采用砂膠比為 3∶1 的情況下，分別采用細度模數(shù)為 1.9、2.6、3.4 的河砂開展試驗，對于同一種減水劑，減水劑摻量、水泥均相同，水泥 C1 與減水劑W 1～W 7 的不同細度模數(shù)下水泥減水劑減水率和凈漿流動度損失如表 1 所示。

表1 不同細度模數(shù)下水泥減水劑減水率和凈漿流動度損失

從表 1 中可以看出，這 7 種減水劑與水泥 C1 拌合后，水泥凈漿均有明顯的飽和點摻量。30 min 水泥凈漿流動度經(jīng)時損失最小為 0，最大是 W4 減水劑為 25 mm，60 min 水泥凈漿流動度經(jīng)時損失最小為 0，最大是 W4 減水劑為 30 mm。這說明，W4 減水劑與水泥 C1 相容性相對于其他幾種減水劑較差。

圖 1 所示為砂的粗細程度對減水率的影響，從中可以看出，W4 減水劑減水率很低。這是由于表 1 中顯示的 W4 減水劑與 C1 水泥相容性較差所致。這說明，減水劑與水泥相容性對膠砂減水率也有很大影響。

圖1 砂的粗細程度對減水率的影響

在相同砂膠比（3∶1）條件下，隨著砂的細度模數(shù)增加，減水率的總趨勢是在增加，只是增加的幅度不同；隨著砂的細度模數(shù)增加，在膠砂流動度達到（180±5）mm 時，用水量在不斷減小。

1.2 細度模數(shù)與砂膠比對減水率的影響

砂與膠凝材料比例（即砂膠比）增大，則用于包裹砂顆粒的膠凝材料趨于減少，砂顆粒表面的水泥漿體厚度會變薄，超過一定限度時，這些漿體不足以隔離開砂顆粒，不能充分發(fā)揮潤滑作用，會導(dǎo)致砂漿流動度降低。梁詠寧等［7］研究了在用水量相同的情況下的膠砂流動度，研究結(jié)果表明：膠砂流動度隨著砂膠比的增加而降低。也有研究表明［8］水泥用量變化時，所測得的減水劑減水率也會發(fā)生顯著變化。這些研究結(jié)果與本試驗得到的結(jié)果是一致的。

從圖 2 中可以看出，當河砂細度模數(shù)為 2.6 時，所測得的減水劑減水率與使用標準砂得到的的減水率接近。當河砂細度模數(shù)小于或大于標準砂細度模數(shù)時（1.9 和 3.4 時），所測得的減水劑減水率均與標準砂砂漿組不同。鑒于此，本試驗中保持其他原材料不變，針對不同砂的細度模數(shù)而采用與之匹配的砂膠比，所測得的減水劑減水率與摻 ISO 標準砂的減水率基本一致。

圖2 摻 ISO 標準砂與河砂的減水率對比

圖 3～圖 5 為不同細度模數(shù)的砂隨著砂膠比的不同，減水率的變化規(guī)律。其中，細度模數(shù)為 1.9 的河砂，測定了砂膠比為 2.2∶1、2.4∶1、2.6∶1、3.0∶1 時的減水率；細度模數(shù)為 2.6 的河砂，測定了砂膠比為 2.4∶1、2.6∶1、2.8∶1、3.0∶1 時的減水率；細度模數(shù)為 3.4 的河砂，測定砂膠比為 3.0∶1、3.2∶1、3.6∶1、3.8∶1 時的減水率。

圖3 細度模數(shù)為 1.9 時，減水率隨砂膠比的變化規(guī)律

圖4 細度模數(shù)為 2.6 時，減水率隨砂膠比的變化規(guī)律

圖5 細度模數(shù)為 3.4 時，減水率隨砂膠比的變化規(guī)律

SH-4、SH-5、SH-6 三種減水劑隨著砂膠比的增加，當細度模數(shù)為 1.9 時，減水率分別減小了 6.0 %、4.6 %、8.2 %；當細度模數(shù)為 2.6 時，減水率分別減小了1.9 %、1.8 %、7.5 %；當細度模數(shù)為 3.4 時，減水率分別減小了 1.9 %、2.0 %、5.9 %。由此可以得出，在同一個細度模數(shù)下，減水率較高的 SH-6，隨著砂膠比的改變，減水率變化要高于其他兩種減水劑。

當細度模數(shù)分別為 1.9、2.6、3.4 時，隨著砂膠比的增加，SH-4 減水劑減水率分別減小了 6.0 %、1.9 %、1.9 %；SH-5 減水劑減水劑分別減小了 4.6 %、1.8 %、2.0 %；SH-6 減水劑減水率分別減小了 8.2 %、7.5 %、5.9 %。由此可以得出，在同一種減水劑的情況下，細度模數(shù)為 1.9 時，隨著砂膠比的改變，減水率的變化要高于其他兩種細度模數(shù)。當細度模數(shù)為 3.4 時，減水率變化最小。

從試驗結(jié)果可以看出，隨著砂膠比的增加，減水劑減水率是有變化的。其總趨勢是減水率隨著砂膠比的增加而減小。

將上述試驗結(jié)果與國標膠砂法測定的減水率做對比，可以得出不同細度模數(shù)的河砂分別對應(yīng)的最佳砂膠比。圖 6 中的折線表示不同細度模數(shù)的河砂所對應(yīng)的最佳砂膠比。采用這個砂膠比利用河砂測定的減水率，在工程允許的誤差范圍內(nèi)，與國標膠砂法測定的減水率基本一致。圖 6 折線可以為估算不同細度模數(shù)河砂的合理膠砂比提供一定的參考。在使用河砂測定減水率時，僅需測出砂的細度模數(shù)，就可以得出該細度模數(shù)的砂需要什么樣的砂膠比，從而快速準確地測定出減水劑減水率。

圖6 細度模數(shù)與砂膠比的對應(yīng)關(guān)系

2 不同類型的砂對減水率的影響

2.1 不同種類的砂對減水率的影響

實際工程中常用的砂包括機制砂、山砂、河砂、混合砂，其中河砂的顆粒形狀大多是圓形或橢圓形，表面比較光潔，機制砂的顆粒形狀多為棱形，表面粗糙且含粉量較高，混合砂是將河砂、機制砂、山砂按照一定的比例混合而成。圖 7 為在砂膠比為 3∶1 的情況下，不同種類的砂對減水率的影響。其中，砂的種類有河砂、機制砂、機制砂河砂混合砂、機制砂山砂混合砂。

圖7 砂的種類對減水率的影響

如圖 7 所示，對于不同的減水劑，砂的種類變化會影響減水劑減水率的測定值，但總體影響不大。對于減水劑減水率較大的情況（SH-6），膠砂減水率由小到大依次為：機制砂（25.9 %）＜機制砂山砂混合砂（26.2 %）＜機制砂河砂混合砂（27.5 %）＜河砂（28.1 %）。對于減水劑減水率較小的情況（SH-5），砂的種類變化則對減水率測試值幾乎不影響，平均約為22.5 %。由上可知，當減水劑自身減水率較高時，不同砂類型對減水率測試值影響較大，反之則影響較小。

2.2 砂的種類與砂膠比的對應(yīng)關(guān)系

圖 8 為摻 ISO 標準砂與 4 種不同種類的工程砂的減水率對比。從圖中可以看出，采用標準砂的砂漿減水率與其他砂的情況并不相同。這里再次說明，當其他原材料保持一致情況下，改變砂膠比可實現(xiàn)與摻加標準砂一樣的效果，所測得的減水率與標準砂的差異在允許誤差范圍內(nèi)。

圖8 摻不同種類的砂的減水率對比

為不同種類的砂隨著砂膠比的改變，減水率的變化規(guī)律。其中，測定了河砂、機制砂在砂膠比為 2.4、2.6、2.8、3.0 時的減水率，機制砂山砂混合砂、機制砂河砂混合砂在砂膠比為 2.6、2.8、3.0 時的減水率，結(jié)果如圖 9～圖 12 所示。

圖9 河砂隨砂膠比的改變減水率的變化規(guī)律

圖10 機制砂隨膠砂比的改變減水率的變化規(guī)律

圖11 機制砂山砂混合砂隨膠砂比的改變減水率的變化規(guī)律

圖12 機制砂河砂混合砂隨膠砂比的改變減水率的變化規(guī)律

如圖 9～圖 12 所示，砂膠比變化會引起所測試的減水劑的減水率的變化。總體趨勢是：隨著砂膠比的增大，所測試的減水劑減水率數(shù)值趨于降低。與上述的結(jié)果類似，如果減水劑自身減水率較高，則砂膠比的變化對所測試的減水率數(shù)值影響較大；減水劑自身減水率較低，則砂膠比對減水率數(shù)值的影響并不大。

將上述試驗結(jié)果與國標膠砂法測定的減水率相比較，在保證測試得到的減水率一致情況下，可以得到不同類型的砂對應(yīng)的最佳砂膠比，如圖 13 所示，其中河砂、機制砂、機制砂河砂混合砂、機制砂山砂混合砂對應(yīng)的最佳砂膠比分別為 3、2.8、2.8、2.6。

圖13 不同種類的砂對應(yīng)的最佳砂膠比

3 含粉量、含泥量對減水率的影響

3.1 石粉含量對減水率的影響

隨著建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，混凝土對砂的需求越來越大，機制砂得到了廣泛的應(yīng)用，機制砂是將石屑經(jīng)過簡單的加工篩分而成，粒徑在 75 μm 以下的石屑。有研究表明，石粉部分替代水泥加入到混凝土中，可以提高混凝土的強度，改善混凝土的和易性和致密性，就云南而言，大多數(shù)公路工程所用的機制砂的石粉含量為 10 %～20 %，這個比例并不低，鑒于此，系統(tǒng)研究機制砂的石粉含量與減水率的相關(guān)關(guān)系是必要的。

試驗中，采用的砂為機制砂，砂膠比為 2.2 中測定的機制砂最佳膠砂比。

從圖 14 可知，對于不同減水率的減水劑，隨著砂中石粉含量的增加，所測得的減水率變化趨勢不盡相同。當減水率較大時，石粉含量對減水率的影響不顯著；當減水率較小時，隨著石粉含量的增大，減水率逐漸下降。

圖14 含粉量對減水率的影響

3.2 泥粉含量對減水率的影響

由于泥對聚羧酸減水劑的吸附作用強于水泥，因此含泥對聚羧酸減水劑的影響非常敏感。實際工程中如果砂中泥粉含量較高時，可能會導(dǎo)致混凝土初始工作性能變差、工作性能保持性能也急劇降低，還可能危機混凝土力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性。因此，規(guī)范中提出用來檢測減水劑的砂中，含泥量不得超過 1 %，水泥膠砂流動度會隨著含泥量的增加而減小。

試驗中，采用的砂為機制砂，砂膠比為 2.2 中測定的機制砂最佳膠砂比。

由圖 15 可知，隨著細集料含泥量的提高，對于不同的減水劑，所測的減水率均不斷降低。但含泥量在 2.5 % 以下時，這個趨勢較弱，含泥量大于 2.5 % 時，則較為顯著。由此，建議在實際工程中，測試實際用砂對應(yīng)的減水率時，要適當控制砂的含泥量不宜超過 2.5 %，以免對所測數(shù)據(jù)與基準砂的偏差過大。

圖15 含泥量對減水率的影響

4 結(jié)論

可以采用砂漿來代替混凝土在實際工程施工現(xiàn)場實現(xiàn)快速檢測減水劑的減水率，本文通過研究砂的類型、細度模數(shù)、石粉含量以及含泥量對砂漿法測得的減水劑的減水率變化，可得到如下結(jié)論。

1）減水率隨著砂的細度模數(shù)的增加而增加。當采用細度模數(shù)為 2.6 的河砂測定減水率時，其結(jié)果與采用 ISO 標準砂測定的減水率基本一致。

2）砂的類型與對所測的減水率數(shù)值有影響，但影響并不大。

3）隨著砂膠比的增加，減水率變化的總趨勢是減小。減水劑自身減水率較大時，減水率變化較明顯，減水劑自身減水率較小時，減水率變化較平緩。

4）砂的關(guān)鍵性能參數(shù)指標石粉含量和含泥量會影響減水率的測試值，這兩個指標數(shù)值越大，減水率越低。相比較而言，含泥量對減水率數(shù)值的影響更大一些。Q