泥土副作用对砂浆性能及含泥量限值的影响研究

王晨晨，张明明

（长安大学 建工学院，陕西 西安 710018）

1 引言

混凝土材料是目前广泛应用的土木工程材料，集料在水泥混凝土中的质量分数约为70%-80%，其品质优劣对混凝土性能有重要影响.由于受到生产条件的限制，集料中不可避免地含有泥，泥土颗粒的掺入会对混凝土性能造成一定的负面影响.不同矿物组成的泥对混凝土性能影响的程度有所不同，其中具有较强吸水性和胶体特性的黏土质泥对混凝土性能的影响最为显著[1].为改善混凝土的工作性能，通常需要加入减水剂等外加剂，不同种类的外加剂对集料中泥土的敏感程度不同.由于分子结构中存在黏土吸附的功能基团，聚羧酸减水剂对混凝土中的含泥量最为敏感[2].大量研究表明，泥土颗粒会降低减水剂的减水率和分散度，对混凝土的力学性能、工作性能及耐久性均会产生影响[3-6].

泥土颗粒是指天然集料中粒径小于75μm的颗粒，含泥量已经成为集料质量评价的重要指标.泥土颗粒易与细集料砂中的细小颗粒混杂，相较于粗集料中所含的泥更不易进行处理.所以，研究细集料含泥量对混凝土性能的影响规律尤为重要.

本文从水泥砂浆工作性能和力学性能两个方面出发，通过水泥净浆黏度试验、水泥砂浆强度及流动度试验，分析含泥量对砂浆各项性能的影响规律及影响机理，并提出最佳含泥量这一指标，为砂浆和混凝土的生产控制提供了参考.

2 试验

2.1 原材料准备

2.1.1 水泥

西安某厂生产的P.0 42.5水泥，早期强度高、活性较好、质量稳定，化学组分如表1所示:

表1 水泥的化学组分

2.1.2 聚羧酸高效减水剂

西安某厂生产的聚羧酸高效减水剂，相关性能指标如表2：

表2 聚羧酸高效减水剂均质性指标

2.1.3 砂

采用水洗砂，其物理性能指标如下表3所示：

表3 水洗砂物理性能指标

2.2 试验方法

水泥净浆粘度：称取水泥（含泥）450g，加入聚羧酸减水剂（掺量为2.2%）后，搅拌器搅拌120s，并静置60s，利用数字旋转黏度计NDJ-5S在恒定转速12r/s下测定浆体的黏度.水泥净浆的原料配比如表4所示：

表4 水泥净浆原料配比

水泥砂浆强度：依照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》.砂浆试件尺寸为40mm x 40mm x 160mm，养护7d和28d后，分别测定砂浆抗压强度和抗折强度.砂浆的水泥、水及减水剂用量如表4所示，细集料表5所示（含泥量指泥占细集料质量百分比）：

水泥砂浆流动度：根据GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》在0-2.5h内每间隔0.5h测定一次砂浆在跳桌上沿相互垂直方向上的流动直径.砂浆原料配比及细集料粒径组成分别如表4及表5所示.

表5 细集料颗粒粒径配比

3 结果与讨论

3.1 水泥净浆黏度试验

减水剂对水泥体系的作用主要通过吸附于水泥表面改变水泥颗粒表面电荷性质并产生一定的空间位阻效应来使水泥颗粒之间发生相互作用，进而改变其流变性能[7].故含泥量对分散剂的影响可通过水泥净浆的流变性质来评价，黏度是评价水泥净浆流变性质的重要指标，反映了浆体抵抗剪切变形的能力.

通过数字旋转粘度计测试不同含泥量的水泥净浆在恒定的剪切速率下随时间的变化情况，得到水泥净浆变化曲线如图1所示：

由图1可知，水泥净浆的黏度随含泥量的增加而增加.当含泥量不超过3%时，黏度曲线较为平缓；当含泥量大于3%时，水泥净浆黏度随含泥量增加迅速增加，特别是当含泥量为7%时，水泥净浆2.5h黏度达到约5500mpa·s.由此可见，当含泥量超过一定限值时，泥将会严重影响聚羧酸减水剂的作用效果，降低其对水泥颗粒的分散能力，使水泥净浆粘度增大，工作性变差.

图1 净浆黏度在不同含泥量不同时间下的变化曲线（w/c=0.24，聚羧酸掺量为2.2%）

3.2 水泥砂浆流动度试验

依照GB/T《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定不同含泥量的砂浆在水泥水化时间为 0h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h的流动度，测试结果如表6所示：

依据测试结果，绘制出水泥砂浆流动度变化曲线如图2所示：

表6 不同含泥量的河沙在不同水泥水化时间的流动度mm

由图2可知，随着含泥量的增加，砂浆的流动度整体呈下降趋势，和易性变差.当含泥量小于4.5%时，出现砂浆流动度随含泥量增加而改善的现象；当含泥量大于4.5%以后，砂浆在不同水泥水化时间的流动度均随含泥量增加而降低.

根据以上试验现象，分析原因为泥土颗粒对聚羧酸减水剂的吸附能力强于水泥，故掺入的泥土颗粒对聚羧酸减水剂起到了吸附消耗作用，减少了实际发挥作用的减水剂的量，若要达到相同的减水效果需增加减水剂用量.同时，泥土颗粒具有较大的比表面积，吸附大量的拌和用水，导致砂浆流动性变差.此外，泥土颗粒表面粗糙，使得砂浆体系中各颗粒间的摩阻力增大，增加了流动的难度，流动度减小.对于试验中流动度随含泥量增加而增大的现象，分析原因为泥土颗粒作为一种粉体材料在砂浆体系中起到了掺合料的填充作用，调节粒径级配，引起微集料效应，改善了砂浆的和易性.当含泥量增大，其对减水剂的吸附消耗作用居于主导地位，砂浆流动度下降.

图2 砂浆在不同含泥量不同时间下的流动度（聚羧酸掺量为2.2%w/c=0.24）

3.3 水泥砂浆抗压、抗折强度试验

通过砂浆强度试验得到不同含泥量的砂浆在7d和28d的抗压强度和抗折强度值如表7所示：

表7 砂浆的强度（聚羧酸的掺量为2.2%）

根据试验结果分别绘制出砂浆的抗压强度随含泥量的变化曲线如图3所示，砂浆抗折强度随含泥量的变化曲线如图4所示：

通过分析图3可知，2%含泥量为7d和28d抗压强度曲线拐点.当含泥量小于2%时，砂浆抗压强度随含泥量增加而增加.分析原因为少量的泥土颗粒可填充水泥水化硬化初期所形成的微孔及裂缝，使砂浆强度有所增加.当含泥量大于2%时，砂浆抗压强度随含泥量增加不断减小.此时，泥土颗粒的存在降低了水泥水化产物之间及其与集料之间的粘结力使强度下降.同时泥土颗粒易以泥团的形式分布于浆体中，形成强度薄弱区.此外，泥中所含的有机质等杂质会降低水泥水化速率，导致强度降低.由图4可知，砂浆抗折强度随含泥量增加而不断降低，且含泥量对砂浆早期抗折强度影响更为显著.将图3与图4进行对比可发现，砂浆的抗折强度对含泥量更加敏感.故在道路这类对抗折强度要求较高的结构物中需对含泥量严格控制

3.4 最佳含泥量

由前述分析可知，当含泥量为2%时，水泥净浆的黏度基本不受影响，水泥砂浆流动度和7d、28d抗压强度较不含泥砂浆均有所改善，砂浆7d抗折强度降低约7%左右,28d抗折强度基本不变.综合考虑经济价值和使用价值，在对抗折强度无特殊要求的工程中可选定2%为最佳含泥量.

4 结论

（1）水泥净浆的黏度随含泥量的增加而增大，且当含泥量大于2%以后随含泥量增加黏度增加迅速；当含泥量小于2%时，水泥砂浆流动度随含泥量增加而增大；当含泥量大于2%时，砂浆流动度随含泥量增加而减小.故少量的泥土颗粒可对砂浆的流变性质起到一定的改善作用，但若含泥量超过一定限值会给砂浆流变性质带来一定的负面影响.

（2）当含泥量小于2%时，水泥砂浆的7d和28d抗压强度均随含泥量增加而增大；当含泥量大于2%时，砂浆的7d和28d抗压强度随含泥量增加而降低；随含泥量降低，砂浆7d抗折强度不断减小；含泥量对砂浆28d抗折强度影响不大.

（3）本试验探究了含泥量对水泥砂浆流变性质和力学性能的影响，并在兼顾使用要求和经济效益的基础上提出将2%作为一般性工程的最佳含泥量.

〔1〕王应,王智,胡倩文,等.集料中黏土质泥及其对混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2012,31(3):599-603.

〔2〕马保国,严敏,谭洪波,等.含泥量对减水剂性能的影响规律[J].济南大学学报（自然科学版）,2012,26(4):331-336.

〔3〕于涛,张亮,周钰沦,等.聚羧酸外加剂与砂含泥量的适应性研究[J],混凝土,2012（3）:98-100.

〔4〕李有光,李苑,万煜,等.泥对掺聚羧酸减水剂的水泥浆体分散性的影响[J].重庆大学学报：自然科学版,2012,35(1):86-92.

〔5〕马保国,杨虎,谭洪波,等.黏土和石粉含量对聚羧酸减水剂的影响研究[J].混凝土,2012（5）:60-63.

〔6〕马保国,严敏,谭洪波,等.含泥量对减水剂性能的影响规律[C].//中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文集.2011.35-36.

〔7〕曹恩祥.聚羧酸减水剂对水泥净浆体系流变性能的作用机理研究[D].清华大学,2011.