膨润土对花岗岩机制砂砂浆性能的影响

于春辉 郜进良 魏 群 李固华 徐大帧

（1西南交通大学土木工程学院，四川 成都610031；2四川省巴南高速公路有限责任公司，四川 成都610041）

1 前言

《GBT_14684-2011》中规定的机制砂的定义：经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质风化的颗粒，俗称人工砂。膨润土又名斑脱岩，是一种以蒙脱石为主要组分的粘土类矿物。膨润土具有强烈的吸水性、膨胀性、胶结性、分散性、触变性及阳离子交换性等特性，素有“万能粘土矿物”美誉，已经在石油、化工、建材、矿业、农业、环保等领域广泛应用[1]。我国的膨润土资源丰富,大部分省市均有膨润土矿产出,大部分为钙基膨润土,且原矿价较为低廉。膨润土是一种无机非金属矿物,颗粒一般较细,掺入砂浆中具有良好的增稠效果。目前天然砂资源缺乏,机制砂和天然砂相比，空隙率小,但是粒形和级配较差, 砂浆及低强度等级混凝土拌和物和易性均显著降低,甚至影响混凝土拌合物的可泵性能，降低混凝土结构的表观质量。为了改善机制砂的这种性能，本文以砂浆为主题，试验研究膨润土改善机制砂砂浆的和易性,同时测试了对砂浆强度的影响。

1.1 试验材料

1)水泥。水泥采用都江堰拉法基水泥有限公司生产的拉法基P.O42.5水泥，其性能指标满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规范要求。

2)机制砂种类：花岗岩机制砂。花岗岩机制砂满足《建设用砂》（GB/T14684-2011)中Ⅱ类砂要求。各项性能指标如表1、表2、图1所示。

各项性能指标如表1所示，细度模数及颗粒级配如表2、图1所示。

表1 机制砂的各项性能指标

由表1可知花岗岩机制砂满足《建设用砂》（GB/T14684-2011)中对机制砂的表观密度大于2500kg/m³；松散堆积密度不小于1400kg/m³；紧致空隙率不大于44%的要求。

表2 细度模数

图1 机制砂级配曲线

根据《建筑用砂》（GB/T146848-2001)中把砂按细度模数分为粗、中、细三种规格，花岗岩机制砂均属于中砂，根据技术要求可判断花岗岩机制砂属于Ⅱ类砂。

3)膨润土

试验中膨润土采用马贝广州公司生产的钠基膨润土。

本项目由巴南高速公路有限公司资助。

1.2 实验方法

试验思路：采用固定的胶砂比（B（胶凝材料）:S（砂）=1:2.5），采用不同的水胶比，分别加入不同量的膨润土，研究膨润土对花岗岩机制砂砂浆流动度、稠度、分层度以及对砂浆抗压、抗折强度的影响。

试验方法：水泥砂浆流动度测定依据《水泥胶砂流动度测定方法》（GB/T2419-2005）;砂浆的稠度、分层度，测定方法依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》（JGJ/T70-2009）。砂浆试块抗压、抗折强度的测定方法依据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB／T 17671—1999）。本方法为40mm×40mm×l60mm棱柱试体的水泥抗压强度和抗折强度测定，到试验龄期时将试体从水中取出，先进行抗折强度试验，折断后每截再进行抗压强度试验。

2 实验结果及结果分析

不同膨润土掺量对砂浆流动性的影响，分别采用高掺量（2%、4%、6%）和低掺量（0%、0.5%、0.7%、0.9%、1.0%、2%）两种不同的掺量方法，来研究膨润土对砂浆流动度的影响，如图2、图3所示：

图2 高膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆流动度的影响

当膨润土掺量比较高，分别为2%、4%、6%时，水胶比分别为0.6、0.7时，随着膨润土含量的增加，花岗岩机制砂砂浆的流动度逐渐减小，水胶比为0.8时，由于水胶比较大，膨润土增稠效果不是很明显。随膨润土掺量的增加，砂浆需水量增大；膨润土的吸水作用，对水泥的水化过程非常有利，膨润土的增稠效果非常明显。

如图3，当膨润土含量比较低，水胶比分别为0.5、0.6时，如图所示，含量从0.0%到0.5%时，砂浆的流动度是降低的，之后开始增大，到0.9%之后流动度又开始降低。实验结果显示，当水胶比比较小，为0.5、0.6时，膨润土含量为0.9%时流动度最大。

图3 低膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆流动度的影响

2)不同膨润土掺量对砂浆稠度的影响分别采用高掺量（2%、4%、6%）和低掺量（0%、0.5%、0.7%、0.9%、1.0%、2%）两种不同的掺量方法，来研究膨润土对砂浆流动度的影响，如图4、图5所示。

图4 高膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆稠度的影响

如图4所示，当膨润土含量比较高，分别为2%、4%、6%时，当水胶比分别为0.6、0.7、0.8时，花岗岩机岩砂浆的稠度，随着膨润土含量的增加有大幅度的减小，效果十分明显。可以推断，如果用于低强度等级机制砂混凝土，膨润土将可以增加混凝土的稠度，很好的改善低强度等级机制砂混凝土泌水、粘聚性差问题[2]。

图5 低膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆稠度的影响

如图5所示，当膨润土含量相对较低时，水胶比为0.5时，随着膨润土含量的增加，稠度逐渐减小；水胶比为0.6时，膨润土含量在0.5%时减小，之后增加，含量在0.9%最大，之后稠度又有所降低。由实验得出，当水胶比为0.6时，膨润土含量为0.6%时稠度最大。

3)不同膨润土掺量对砂浆分层度的影响

图6 膨润土含量对 砂浆分层度的影响(水胶比0.6)

如图6所示，试验采用水胶比较低的0.60进行试验测试。试验结果见图6，一般来讲砂浆的分层度不宜过高也不宜过低，现行标准要求分层度不应高于30mm。但分层度太低，砂浆易开裂。一般需要砂浆分层度为10~20mm。当水胶比为0.6时，膨润土含量对砂浆分层度的影响规律性不明显，但是花岗岩机制砂砂浆的分层度都在膨润土含量为0.9%时在10~20mm间，比较适合。

4)不同膨润土掺量对砂浆试块抗压强度影响

如图7所示，水胶比为0.6时，花岗岩机制砂砂浆试块的3d、7d、21d、28d的抗压强度，都在膨润土含量为0.9%时达到最大。超过0.9%时，随着膨润土含量的增加，抗压强度减小。

图7 膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆试块抗压强度的影响(水胶比0.6)

随着水泥水化进行，水化热使体系温度不断升高，膨润土层间水逐渐放出，水泥水化继续进行 Ca(OH)2浓度增加，各种水化产物构成了强度； 同时，膨润土中残留的层间使硅氧链构成了“皂纤维”增加了水泥的韧性；膨润土中粘土微粒吸水后形成的胶体又可填充在水化产生的各种孔隙中以增加密实度，因此在水化后期强度不断上升。另外，也说明掺量在0.3%-0.9%之间范围内，膨润土对提高试块强度有理想贡献值。产生这样的增韧效果主要是来自于膨润土的层状与链状结构吸水后形成的“皂纤维”的影响；同时由于膨润土晶体结构与水泥水化产物雪硅钙石的结构一致，在受外力冲击时，纤维的层间滑动吸收了外来的冲击能量，阻止了裂缝的扩展，当然这与膨润土胶体增加水泥胶浆的粘结力及增加密实度的作用是分不开的[3]。

2.5 不同膨润土掺量对砂浆抗折强度的影响

图8 膨润土含量对花岗岩机制砂砂浆试块抗折强度的影响

如图8所示，水胶比为0.6时，花岗岩机制砂砂浆试块的3d、7d、21d、28d的抗折强度，都在膨润土含量为0.9%时达到最大。超过0.9%时，随着膨润土含量的增加，抗折强度减小。

3 结语

1）当膨润土掺量比较高，随着膨润土含量的增加，花岗岩机制砂砂浆的流动度逐渐减小，砂浆的稠度，随着膨润土含量的增加有大幅度的增加，效果十分明显。在低强度等级的机制砂混凝土中掺入膨润土，也是改善混凝土拌合物泌水、粘聚性差的有效措施。

2）当水胶比为0.6时，膨润土含量对砂浆分层度的影响规律性不明显，花岗岩机制砂砂浆的分层度都在膨润土含量为0.9%时在10~20mm间，比较适合。

3）花岗岩机制砂砂浆试块的抗折强度、抗压强度，都在膨润土含量为0.9%时达到最大。超过0.9%时，随着膨润土含量的增加，抗折、抗压强度减小。

[1]蒋正武.膨润土在建材工业中的应用研究进展［J］.中国非金属矿工业导刊，2004，38（1）：16-18.

[2]王军,徐芬莲,孙克平,陈景,吴雄. 膨润土与纤维素醚复掺在预拌砂浆中的试验研究[A].第三届全国商品砂浆学术交流会论文集[C].2009

[3]李方贤,龙世宗等.膨润土对砂浆性能的调控作用[C].第三届全国商品砂浆学术交流会论文集,2009:45-48