絮凝劑對水洗砂砂漿及混凝土性能影響研究

陳展華 方云輝 鐘麗娜 賴華珍 林艷梅

（科之杰新材料集團有限公司，福建 廈門 361100）

隨著建筑業的高速發展，混凝土用量越來越大，天然砂資源也就越來越緊張，許多地方因亂采、亂挖已造成嚴重的環境污染問題[1]。近年來，應可持續發展和環保的需求，全國范圍內大量限制天然砂的使用，機制砂取代天然砂逐漸成為了拌制混凝土的重要材料[2-3]。

根據GB/T 14684—2011《建設用砂》規定，機制砂MB值小于等于1.4或 快速法試驗合格時，石粉含量最多不能超過10%，為了使生產的產品符合相關規定，機制砂通常需要經過水洗使用[4-5]。但濕法工藝所產生的泥廢水總量大、濃度高、處理成本高，嚴重制約著高品質機制砂石的大規模生產。因此，目前砂石生產企業廣泛使用絮凝劑對洗砂水進行凈化、過濾水質，再次回收利用，回收利用的洗砂水中含有大量的絮凝劑會帶入機制砂中，對混凝土產生不利影響。

對洗砂過程中的絮凝劑進行研究，在能滿足洗砂污水處理的情況下，其回收水用于二次洗砂造成的殘留對砂漿和混凝土性能的影響最小。通過研究，主要是為了給制砂企業提供絮凝劑使用的一些建議，在保證起污水的有效回收利用的情況下，降低因機制砂絮凝劑殘留而造成的報廢，可以有效節省人力和物力。

1 試驗部分

1.1 原材料

水泥:紅獅牌P.O 42.5R水泥，其性能指標見表1；機制砂:性能指標和篩分指標見表2和表3；礦粉:S95級礦粉，28d活性指數為96%；粉煤灰:Ⅱ級粉煤灰；石頭:粒徑為10～20 mm的碎石；聚羧酸減水劑:含固量50%，科之杰新材料集團有限公司生產；絮凝劑:陰離子型絮凝劑分子量為1200萬、1400萬和1600萬；非離子型絮凝劑分子量為1000萬，陽離子型絮凝劑分子量為800萬、1200萬；聚合氯化鋁型絮凝劑有效物質含量為27%、28%。

表1 水泥性能指標

表2 機制砂性能指標

表3 篩分指標

1.2 試驗方法

1.2.1 水洗砂處理

模擬洗砂過程，將經過處理原砂與水按1∶1的比例混合均勻，用4.75mm的方孔篩 （實際生產的輪式洗砂機的為5mm方孔篩）用撈洗的方式進行水洗。撈洗完成后，將上層含泥污水倒出備用，將底部細砂與撈出來的洗砂混合。

1.2.2 水洗砂性能測試

參照GB/T 14684—2011《建筑用砂》，對水洗砂的顆粒級配、MB值、石粉含量進行測試。

1.2.3 砂漿性能測試

砂漿流動度參照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度實驗標準》進行測試，具體配合比見表4；砂漿強度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法 （ISO法）》進行測試。

表4 砂漿配合比

1.2.4 混凝土性能測試

新拌混凝土性能試驗方法參照GB 8076—2008《混凝土外加劑》，GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物效果試驗方法標準》進行，絮凝劑采用外摻方法加入，測試新拌混凝土初始坍落度、擴展度，以及1h損失后混凝土的坍落度和擴展度，以及3d、7d和28d抗壓強度，混凝土配合比見表5。

表5 混凝土配合比

2 實驗結果與討論

2.1 絮凝劑用量探究

按照1.2.1中洗砂方法進行洗砂處理，撈洗完成后取上層含泥污水500mL，在含泥污水中加入絮凝劑，攪拌均勻后靜置1min，觀察下層泥漿的厚度和上層清液的清澈程度，結果見表6所示。

表6 絮凝劑用量及絮凝效果測試

從表6可以看出，靜置1min的情況下，各組樣品上清液清澈度對比空白樣均有很大提升，說明陰離子型絮凝劑、陽離子型絮凝劑、非離子型絮凝劑和聚合氯化鋁絮凝劑都能夠在機制砂中起到一定絮凝作用。上層清澈度最好的樣品為非離子型絮凝劑X4，基本無懸浮的雜質；效果較差的為陽離子型絮凝劑X7，上清液較渾濁。從下層泥漿厚度結果分析，聚合氯化鋁型絮凝劑下層泥漿厚度大，絮凝速率最慢。

2.2 水洗砂性能測試

按2.1中絮凝劑用量加入絮凝劑，并按照1.2.1方法進行兩次洗砂，制得含有不同絮凝劑殘留的水洗砂。對水洗砂細度模度及顆粒級配進行測試，結果見表7所示；對MB值與石粉含量進行測試，結果如表8所示。

表7 水洗砂篩分結果 單位:kg/m3

表8 水洗砂MB值和石粉含量單位:kg/m3

從表7中可以看出，在適量的絮凝劑用量下，殘留的絮凝劑對水洗砂的顆粒級配影響較小，各個級配均處在一個相對穩定的區間內波動。

從表8中可以看出，不同絮凝劑殘留的回收水對水洗砂的MB值的影響與絮凝劑的類型有關，與基準相比陽離子類絮凝劑的MB值降低，主要是因為殘留在水洗砂中的絮凝劑與水洗砂中的泥粉結合，形成絮狀沉淀物，溶液中泥粉顆粒減少，因此出現了MB值降低的現象。陰離子類絮凝劑的MB值增高，因為單分子層結構的亞甲藍帶有正電荷，陰離子型絮凝劑溶于水帶有負電荷，雖然殘留在水洗砂中陰離子絮凝劑會與水洗砂中的泥粉結合沉沉淀，但多余的陰離子絮凝劑會與亞甲藍結合而導致MB值的增高。

2.3 水洗砂對砂漿性能影響研究

按照C30生產配合比，去除配合比中的碎石進行砂漿性能試驗，試驗結果見表9和圖1所示。

表9 砂漿試驗結果

圖1 砂漿試驗結果

從表9和圖1中可以看出，與空白樣對比，受絮凝劑影響較大的為陰離子型絮凝劑 （X1、X2、X3），初始流動度明顯較小，2h損失后基本沒有流動度。并且砂漿流動度隨陰離子分子量的增大而減小，原因可能是陰離子絮凝劑影響聚羧酸減水劑在砂漿上的吸附，導致其吸附量下降，分散性能下降。受絮凝劑影響較小的為聚合氯化鋁 （X5、X6）和陽離子型 （X7），經過含有該類絮凝劑水洗的水洗砂初始流動度與空白樣接近，2h損失后均有不同程度的返大現象。3d抗壓強度方面，陰離子型的X2和X3樣品分別降低1MPa和2.2MPa，說明陰離子型絮凝劑的加入一定程度上會降低砂漿強度，且陰離子絮凝劑分子量越大，強度降低越明顯。

2.4 絮凝劑對混凝土性能影響

從2.3試驗結果可以看出陽離子型絮凝劑對砂漿流動度，強度影響較小。因此選用陽離子型絮凝劑作為研究對象，測試其摻量對混凝土性能的影響，試驗結果見表10、圖2～4所示。

表10 混凝土性能測試結果

從表10和圖2、圖3可以看出，在減水劑摻量不變情況下，隨著陽離子型絮凝劑摻量的增大，混凝土初始坍落度基本不變；初始擴展度呈下降趨勢，在絮凝劑用量超過0.024%后，坍落度下降幅度變大，初始和易性顯著變差。此外，1h坍落度和擴展度損失 （相較于初始坍落度和擴展度）也隨著陽離子絮凝劑摻量的增大而增大，當絮凝劑摻量為0.024%時，1h坍落度損失為80，擴展度損失為220，已經無法滿足施工需要。因此陽離子絮凝劑摻量在0～0.024 %范圍內較為合適，對混凝土和易性及坍落度保持性影響較小。分析原因，陽離子聚丙烯酰胺本身具有較強的增稠作用，會使混凝土黏性增大，摻量過高時會導致坍落度損失大，工作性能受到影響[5]。

圖2 混凝土坍落度

圖3 混凝土擴展度

從圖4可以看出，隨著陽離子型絮凝劑摻量的增大混凝土各齡期強度均有所下降。摻量的上升對3d強度影響最小，摻量為0.032%時強度僅下降2.4MPa，屬于配合比設計范圍內。陽離子絮凝劑摻量上升對7d和28d強度影響較大，摻量超過0.016%后，7d和28d強度下降幅度大。綜上所述，推薦陽離子絮凝劑在混凝土中摻量不超過0.016%，此范圍內陽離子絮凝劑對混凝土的和易性和強度影響較小。

圖4 混凝土強度

3 結語

通過對不同類型絮凝劑的絮凝效果、對水洗砂及砂漿、混凝土性能影響進行研究，得到如下結論:1）絮凝劑的絮凝效果主要與絮凝劑的種類有關，離子型的絮凝速率明顯高于聚合氯化鋁型的絮凝速率，但在完全絮凝沉淀完以后聚合氯化鋁的清澈度明顯高于離子型的絮凝劑；2）絮凝劑對水洗砂的顆粒級配和細度模度影響較??；影響絮凝劑對MB值的影響主要與絮凝劑的種類有關，陰離子型的絮凝劑MB值明顯高于陽離子和聚合氯化鋁型的絮凝劑；3）陰離子型絮凝劑會使砂漿流動度變小，且影響聚羧酸減水劑在砂漿中起到的分散保持能力，陽離子、非離子和聚合氯化鋁型絮凝劑對砂漿流動度幾乎無影響；4）陽離子型絮凝劑加入混凝土中會略微降低混凝土和易性和強度，增大混凝土坍落度損失，推薦加入陽離子絮凝劑量不超過0.016%。