粗细骨料的粉尘含量对混凝土外加剂掺量的影响

2016-10-24苏健波

广东建材 2016年7期

关键词：胶凝减水剂外加剂

苏健波

（广东工业大学土木与交通工程学院）

粗细骨料的粉尘含量对混凝土外加剂掺量的影响

苏健波

（广东工业大学土木与交通工程学院）

用传统方法计算混凝土减水剂用量是以混凝土所用胶凝材料（水泥、矿粉、煤灰）总量乘以减水剂掺量，而忽视了非胶凝材料（粗细骨料）粉尘含量对水和减水剂的消耗。当非胶凝材料粉尘含量较低时可以忽略，但粉尘含量较高时，就应该考虑其消耗的减水剂用量，才能准确把握混凝土对减水剂的确切需求，更好的满足和易性强度等级等质量要求。

混凝土；胶凝材料；粗细骨料；粉尘；外加剂

1　前言

众所周知，减水剂技术的应用推动混凝土生产技术的进步。在混凝土的拌制过程中添加适量的减水剂可以减少拌和用水量的同时增强拌合物的流动性，从而达到节约水泥用量、提高强度和改善混凝土耐久性，可以轻松的生产出有别于传统混凝土的大流动性的泵送混凝土、高强混凝土，以适应高层以及超高层建筑的需要。随着预拌混凝土搅拌站的集约化生产和混凝土制品的日益增多，对减水剂的需求量越来越大，要求越来越多，其掺量技术也显得更为重要。在减水剂的应用过程中，由于原材料的不断变化，往往难以恰当地把握外加剂的掺量，从而影响外加剂效能的正常发挥，并引起混凝土性能下降，甚至导致工程质量事故发生。传统的计算减水剂用量是按胶凝材料（水泥、矿粉、煤灰）的百分比来计算，并没有考虑混凝土原材料中非胶凝材料的粉尘含量大小对减水剂的确切需求，这种计算方法显得较为粗糙。为了更好地把握减水剂的最佳掺量，提高混凝土的性能，有必要探讨原材料的粉尘含量对减水剂用量的影响。

2　当前预拌混凝土在减水剂用量上存在的问题

就目前的情况来看，预拌混凝土在外加剂掺量方面还没有一个科学的、被广泛接受的设计方法。在混凝土减水剂用量的计算上，绝大多数混凝土企业仍然沿用传统计算方法，即根据外加剂在每立方米混凝土胶凝材料总掺量的百分比计算，其中胶凝材料指水泥、矿粉、煤灰。这种计算方法容易引起低强度等级混凝土减水剂用量不足，而高强度等级混凝土的减水剂用量过多［1］，在和易性方面的具体表现如下：低强度等级的混凝土流动性及强度不好控制，而高强度的混凝土又会出现粘聚性不好、容易泌水及输送塞管等不良现象；同一级别、相同的配合比（同一厂家的水泥和煤灰），从搅拌塔出来的拌合物有时和易性良好，坍落度经时损失小，有时拌合物偏干，坍落度满足不了设计要求，而且经时损失较大。针对这种现象，很多搅拌站专门设立看料台，以便目测混凝土浆体情况。如果发现浆体偏干时，通过增加水量达到增加坍落度，这一做法直接造成混凝土强度下降，以及坍落度经时损失大等后果；发现浆体偏稀，就更难通过人工调整了。以上种种问题，一直困扰着混凝土生产企业。

外加剂具体掺量的传统确定方法，通常是根据减水剂生产厂推荐的常用掺量下限值取某一掺量为基准掺量，然后在基准掺量基础上做上下浮动，做若干个不同外加剂掺量混凝土试件进行比较，根据试验结果择优确定使用掺量［2］，一般低强度系列的混凝土每提高一个等级，减水剂的掺量约增加0.1%，而高强度级别的混凝土，每提高一个等级，减水剂的掺量约增加0.2%。这种减水剂掺量的方法较为粗糙，只是简单地凭借经验操作而已，并没有经过系统的计算。因此，很容易导致混凝土减水剂用量不当，从而引起混凝土坍落度难于控制、粘聚性不好、容易泌水及输送塞管等不良现象。

分析这种计算方法，其不足之处有如下几点：

⑴仅仅通过胶凝材料重量计算减水剂用量，而忽视了原材料中砂石粉尘量对外加剂的消耗，不能真实反映混凝土原材料对减水剂的需求。尽管砂石粉尘对水的吸附作用有别于水泥的水化效应，减水剂也应随原材料粒径及粉尘含量变化而调整，否则，会造成混凝土和易性难于控制，对混凝土强度也有较大影响。

⑵当只用胶凝材料来计算减水剂用量时，容易造成高强度级别的混凝土外加剂用量过多，而低强度级别混凝土掺量不足。因为一般配制高强度的混凝土时，在增加水泥、矿粉用量的同时，也要减少了石子、砂子、煤灰用量，最终结果由于胶凝材料用量增多导致减水剂用量的超掺；另外，低强度等级混凝土虽然胶凝材料减少了，但石子、砂子增多的同时引起其中的粉尘增加，最终也会造成低强度的混凝土外加剂用量不足的情况出现。

⑶该减水剂掺量下限值的理论依据不足，没有全面考虑胶凝材料品质、性能特点，包括各种水泥类别、强度等级及物理参数不同对外加剂用量的影响，因为生产实践证明减水剂与水泥品种之间存在相容性问题。

在生产实践过程中，由于自然资源的日渐枯竭，混凝土原材料不再仅仅是传统的水泥、河砂与碎石，而是呈现出原材料的多样性与动态变化，包括人工石和人工砂的投入使用，这些原材料都免不了夹杂或多或少的粉尘，有些粉尘含量甚至高达15%，而这些粉质材料需要消耗部分的水和减水剂才具备相应的流动性，所以有必要在计算减水剂用量时考虑原材料中粗细骨料的粉尘含量。

3　试验原材料与试验方案

3.1试验所用原材料

水泥：本试验采用华润水泥厂生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥。主要物理性能指标均符合GB175-2007规范规定，见表1。

表1　水泥性能检验结果

粉煤灰：本试验采用广州市旺隆电厂电收尘粉煤灰，粉煤灰的化学成分及物理性能见表2。

矿粉：东莞某建材有限公司生产，比表面积420 m2/kg，28d活性系数102%。

河石：东江河石，Ⅱ类，粒径5～31.5mm。

碎石：采用福田石场花岗岩碎石，压碎指标10.3%，表观密度2.90g/cm3，粒径级配为5～31.5mm。

表2　粉煤灰的化学成分及物理性能

河砂：东江中砂，细度模数2.5，粒径2.5～5mm，松散堆积密度1520kg/m3，含泥量2.3%。

人工砂：福田石灰石质人工砂，MB=1.0，石粉含量9.0%。

减水剂：江门强力萘系QL-2高效减水剂，浓度30%，密度1.14g/ml，减水率20%，固含量30.1g，28d抗压强度比135%，缓凝时间6h。

3.2粗细骨料粉尘含量

混凝土原材料的粗细骨料就是指砂石材料。粗骨料就是颗粒粒径大于5mm的骨料；细骨料就是颗粒粒径小于5mm的骨料；粉尘，指砂石进行筛分后残留在筛底，而且粒径小于160目（96μm）的微细颗粒。粉尘含量一般用粉尘占母料重量的百分率计算，本文我们称其为粉尘率。对不同原料，或者相同的原料，不同的批次，其粉尘率是有差异的，具体数据以试验为准。本实验用的骨料粉尘率见表3。

表3　粗细骨料粉尘率（%）

3.3粉尘对减水剂的吸附情况

水泥和粉煤灰、矿渣等混合材料对减水剂的吸附作用有差异。材质相同的材料，吸附强度也因比表面积大小不一而存在不同，一般细度越小，吸附量越大。相同细度，不同的材料对减水剂的吸附力从大到小的顺序为：煤矸石＞粉煤灰＞矿渣［3］。本项目用水泥净浆流动度检测法检验非胶凝材料的粉尘对减水剂的吸附作用，试验结果如表4所示。其中河砂粉尘用相同的水量无法测出流动性，考虑到常用河砂的含水量约6%，因而试验时添加这部分水18g，共105g。

表4　净浆流动度试验结果

浆体流动度大小反映颗粒对减水剂的吸附力强弱，一般净浆流动度越小，表示吸附力越大。从表4数据可以看出，非胶凝材料的粉尘对减水剂的吸附力比水泥低，但是，计算减水剂用量时忽视非胶凝材料粉尘对减水剂的吸附是不科学的。

4　根据原材料总粉量计算减水剂用量方法

上述实验数据证明非胶凝材料的粉质对水和减水剂的吸附力虽然比水泥低，但是也需要消耗部分的水和减水剂才具备相应的流动性，所以计算减水剂用量时有必要考虑原材料的粉尘含量。生产混凝土所用的粗骨料从来源分，不外乎碎石、卵石两种。碎石为岩石经破碎、筛分而得；卵石多为自然形成的河卵石经筛分而得，碎石表面比卵石粗糙，且多棱角，因此，拌制的混凝土拌合物流动性较差，但与水泥粘结强度较高，在配合比相同的情况下，混凝土强度相对较高；卵石表面较光滑，少棱角，因此拌合物的流动性较好，但粘结性能较差，强度相对较低。基于这种原因，在混凝土生产实践中，一般C35及C35以下的强度等级的才用卵石，而C40及其以上等级的基本上用碎石。为了反映卵石与碎石粗骨料的差异，所以分别选用工程实际应用较多的2个常用等级C30、C40泵送混凝土作为基准分别代表河石和碎石进行研究。实际生产过程中，有些地方由于地理环境的影响，有可能全部使用碎石。如何根据原材料的总粉量计算减水剂掺量，这正是本文的重点内容。

4.1确定基准混凝土配合比的减水剂用量

众所周知，减水剂在混凝土中的掺量有饱和点存在，就是说当掺量超过饱和点时，不但不能提高混凝土拌合物的流动性，反而因为收缩作用降低了混凝土强度，并造成生产成本上涨。当掺量远低于饱和点时，混凝土流动性不足，而且混凝土的强度因为水泥水化不充分而不能充分展现［3］。通过饱和点试验，确定C30、C40基准混凝土如表5所示。

表5　基准泵送混凝土配合比（kg）

4.2计算各基准配合比原材料总粉量

原材料总粉量就是每立方米混凝土所用各种胶凝材料和骨料粉尘按各自对减水剂的吸附比率计算所得数量的总和，如果混凝土只用一种胶凝材料或一种骨料，只计算该种材料的量即可。表达式如下：

总粉量=水泥+矿粉×矿粉吸附比率+煤灰×煤灰吸附比率+∑粗细骨料×含粉率×吸附比率

经上式计算各配合比的原材料总粉量结果，如表6所示。

表6　原材料总粉量结果（kg）

4.3确定减水剂通用掺量（%）

减水剂通用掺量=基准混凝土减水剂用量/原材料总粉量×100%。

用上式计算可得：

用卵石混凝土C30减水剂通用掺量：β卵石=8.0/430.0×100%=1.9%

用碎石混凝土C40减水剂通用掺量：

β碎石=9.5/474.7×100%=2.0%

4.4按总粉量计算减水剂用量

用原材料总粉量计算混凝土减水剂用量方法重新核算其他等级的配合比中减水剂用量，结果如表7所示。

表7　总粉量计算减水剂用量（kg）

从表7数据可以看出，用原材料总粉量计算的减水剂用量与原用量略有波动，具体表现为低强度等级的减水剂增加，而高强度等级的减水剂则减少。根据重新调整的减水剂用量进行试验，可以解决传统方法在低强度等级混凝土掺加减水剂偏少而造成流动性不好、坍落度损失大、强度难以提高等不良现象，也解决了高强度等级混凝土由于减水剂超掺而容易产生泌水、离析，甚至塞管等问题。

4.5生产实践

由于夏天温度高、水份蒸发加速，引起混凝土凝结时间缩短、坍损大等问题，一般减水剂生产商都会通过在减水剂里增加缓凝组分应对这一实际问题。据很多搅拌站反映，在高温季节使用含有缓凝组分的减水剂，对于C40及以上的混凝土容易出现离析、凝结时间过长、骨料板结等不良现象，这种现象是否与减水剂超掺的有关呢？一般情况我们可以通过减水剂水泥净浆流动度及经时损失对比试验找原因。实验发现，未调整前的减水剂水泥净浆流动度正常、但1h后流动度减少，而调整后的减水剂的水泥净浆流动度稍大、1h后流动度增大。因此可以判断问题与减水剂超掺有关，可以通过下调减水剂掺量解决问题。通过这种方法，在夏季使用含有缓凝组分的减水剂时，都适当地减少减水剂的掺量。C50泵送混凝土每立方米减水剂从原来的13.0kg降低到11.2kg，调整后的拌合物和易性表现良好，1h无坍损，2h坍损失15mm，从而证明重新核算的减水剂用量的正确性。