集料含泥量对减水剂性能影响及敏感性研究

宋光辉

(1.苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 211112；2.在役长江大桥梁安全与健康国家重点实验室， 江苏 南京 211112)

集料含泥量对减水剂性能影响及敏感性研究

宋光辉1，2

(1.苏交科集团股份有限公司, 江苏 南京 211112；2.在役长江大桥梁安全与健康国家重点实验室， 江苏 南京 211112)

工程中砂石含泥量对减水剂性能造成不利影响，为探索集料含泥量对减水剂性能影响规律和影响机制，系统研究了砂含泥量对聚羧酸减水剂、萘系减水剂的减水性能影响，并进行了减水效果敏感性分析。结果表明：砂含泥量为3.0%～3.4%时，减水剂的减水效果对砂含泥量的敏感性最高，聚羧酸减水剂掺量增加，砂含泥量对其减水效果影响增大；砂含泥量小于3.0%时，大掺量萘系减水剂对含泥量敏感性较小；含有微量的黏土，能够提高萘系减水剂的减水效果。

集料；含泥量；减水剂；敏感性

自20世纪30年代以来，外加剂已成为除水泥、砂、石和水之外现代高性能混凝土中必不可少的第五组分[1-3]。外加剂的使用被认为是继钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土技术后的第三次混凝土技术突破[4]。其中聚羧酸系高性能减水剂、萘系高效减水剂是工程中使用最为广泛的两种外加剂。尤其聚羧酸减水剂因其掺量低、分散性能好、减水率高、增强效果显著、保坍性能优异、可设计性强而成为国内外化学外加剂研究与开发的重点与热点[5-7]。

然而实际工程中，影响聚羧酸减水剂、萘系减水剂发挥其减水性能的因素众多，特别是砂石原材料中含泥量对其减水性能影响[8-15]。使用含泥量较高的砂石，要达到相同的流动度，聚羧酸减水剂的掺量需要提高30%～50%，甚至成倍增加。这不仅使得聚羧酸系减水剂在施工过程的控制难度加大，更是大大提高了成本投入，这对聚羧酸系减水剂的广泛应用产生了很大的负面影响。因此，有必要研究砂石含泥量对减水剂的影响，探索其对减水剂性能影响规律和影响机制，并获取允许掺入的砂石含泥量，以期为聚羧酸高性能减水剂、萘系高效减水剂在工程中的应用提供理论指导。

1 试验概况

1.1 试验原材料

(1) 水泥：普通硅酸盐P·O42.5水泥，其物理性能见表1。

表1 P·O42.5水泥物理性能

(2) 砂：普通河砂，其物理性能见表2，砂级配分析见表3。

表2 砂物理性能

表3 砂级配分析

不同含泥量砂通过原始砂和黄泥计算调整。原始砂为中砂，含泥量为3.4%。试验用砂含泥量高于原始砂含泥量时，重新洗干净砂，加入黄泥进行人工配制；试验用砂含泥量低于原始砂含泥量时，经计算黄泥添加量，以满足试验含泥量需求。

(3) 减水剂：聚羧酸高性能减水剂，液态，固含量39%；萘系高效减水剂，粉状。

(4) 泥：黄泥，经烘干、人工粉磨成粉末状。

1.2 试验方案

1.2.1 砂浆中砂含泥量对减水剂效果影响研究

根据工程实际应用情况，分别选取砂含泥量(掺量分别为0.0%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)时，对不同掺量聚羧酸高性能减水剂(掺量为0.20%、0.26%、0.32%、0.38%)、萘系高效减水剂(掺量为0.50%、0.75%、1.00%、1.25%)的减水效果影响。以胶砂流动度达到(180±5)mm为基准，测定砂浆中聚羧酸高性能减水剂、萘系高效减水剂的减水率，并进行机理与敏感性分析。

1.2.2 集料含泥量对混凝土中减水剂效果影响、混凝土力学性能影响

选择萘系减水剂掺量为0.75%，聚羧酸减水剂的掺量为0.32%，研究集料含泥量(掺量0.6%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)对混凝土拌合物中减水剂的减水率、硬化混凝土强度的影响，从而得出砂含泥量的控制限量。

混凝土按照某工地实际配合比进行配制，以混凝土拌合物达到同一坍落度(100±5)mm为基准，测定混凝土中减水剂的减水率。按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[16]GB/T50081-2002测定标准养护7 d和28 d后的混凝土立方体抗压强度。

2 结果与分析

2.1 砂含泥量对减水剂减水性能影响

砂含泥量、聚羧酸高性能减水剂掺量对其减水性能影响如图1所示。砂含泥量、萘系高效减水剂掺量对其减水性能影响结果如图2所示。

图1 砂含泥量对聚羧酸高性能减水剂的减水效果影响

图2 砂含泥量对萘系高效减水剂的减水效果影响

由图1可以看出，随着砂含泥量的增大，聚羧酸高性能减水剂均呈现先缓慢减小，再快速降低，最后趋于稳定的趋势。砂含泥量在0.0%～2.5%时，减水率缓慢减小；砂含泥量从2.5%增加至3.4%过程中，其减水率快速减小；随后随着含泥量继续增加，其减水率趋于稳定。砂含泥量在3.4%时，聚羧酸高性能减水剂的减水率最低。

众所周知，聚羧酸减水剂的减水机理主要是空间位阻效应的发挥，其分子结构中主链上的羧酸根等基团吸附在水泥颗粒表面，侧链伸向溶液中，从而实现水泥颗粒的分散。而砂中的泥土自身的吸附性与疏水基的定向吸附共同作用及黏土中的金属离子与聚羧酸的螯合作用可能是黏土吸附聚羧酸减水剂的机理。由于黏土对聚羧酸减水剂的吸附作用导致吸附于水泥颗粒之间发挥空间位阻、静电斥力、引气隔离等作用的聚羧酸高性能减水剂减少，聚羧酸减水剂对水泥的分散效果降低，其减水效果下降。试验结果表明，当砂含泥量较低(掺量小于2.5%)时，黏土的吸附作用并不显著，聚羧酸减水剂的减水率略有降低。随着含泥量的增加(掺量在2.5%～3.4%)，被吸附的聚羧酸大分子增多，减水性能明显降低。当含泥量大于3.4%时，黏土的吸附作用趋于饱和，聚羧酸减水剂的减水率也趋于稳定[17]。

由图2可以看出，砂中含泥量在1.4%～2.5%范围内，萘系减水剂的减水率与砂含泥量呈现正相关的趋势；砂中含泥量在2.5%～3.4%范围内, 萘系减水剂减水率随含泥量的增大而减小；砂中含泥量大于3.4%时，砂含泥量对萘系减水剂的减水率的影响逐渐减低。由此可知：黏土层间结构对萘系减水剂分子的吸附作用较小，相反，含有一定量的黏土，反而能够更好的发挥萘系减水剂的减水效果。

另外，从图2可以注意到，萘系减水剂掺量在1.00%～1.25%时，随着砂含泥量的增大，其减水率均在20%上下小幅波动。表明砂含泥量对大掺量萘系减水剂的减水效果无显著影响。

2.2 减水剂减水效果对砂含泥量敏感性分析

敏感性是指影响因素(自变量)的变动对被影响因素(因变量)变动的影响程度大小。如果影响因素较小的变动引起被影响因素较大的变动，就称之为被影响因素对该影响因素的敏感性强。反之则称之为敏感性弱。通常用敏感性系数S来衡量敏感性的强弱。

设：

W=f(x,y,z)

(1)

则：

(2)

(3)

(4)

其中脚标0表示变动前的数值，也即基数。S表示敏感性系数，Sx、Sy、Sz分别表示x、y、z的敏感性系数。在一元函数情况下则有：

y=f(x)

(5)

(6)

式(6)也可以表达为(其中脚标1表示变动后的数值，脚标0表示变动前的数值)：

当Δx→0时则有

(7)

由此可见，敏感性系数也可以表述为被影响因素的变动率与影响因素的变动率之比，比率越大则敏感性越强。

不同砂含泥量下，聚羧酸系减水剂、萘系减水剂的敏感系数变化分别见图3和图4。

图3 砂含泥量下聚羧酸减水剂的减水效果敏感性

图4 砂含泥量下萘系减水剂的减水效果敏感性

由图3可知，随着砂含泥量增大，聚羧酸减水剂的敏感系数Sx经历了保持稳定，快速增大再快速减小，最后趋于稳定的四个阶段。当砂含泥量小于2.5%和大于4.4%时，聚羧酸减水剂对含泥量敏感性较弱；当砂含泥量为3.4%时，聚羧酸减水效果对砂中含泥量最敏感。另外可以发现，聚羧酸减水剂掺量越大，砂含泥量对其减水率的影响越大。

由图4可知，随着砂含泥量增大，萘系减水剂的减水效果敏感系数Sx呈现出现快速增大再逐渐减小的趋势。当含泥量在3.0%～3.4%范围内，萘系减水剂的减水效果敏感性最大。当含泥量小于3.0%时，大掺量萘系减水剂对含泥量敏感性较小。对比可知，当砂含泥量高于3.0%时，聚羧酸减水剂的减水率对砂石含泥量的敏感性高于萘系减水剂。当砂含泥量低于3.0%时，聚羧酸减水剂减水率对砂含泥量的敏感性则低于萘系减水剂。

2.3 集料含泥量对混凝土性能影响

不同集料含泥量(掺量为0.6%、1.4%、2.5%、3.0%、3.4%、4.4%、5.4%)下，混凝土拌合物中减水剂的减水率、硬化混凝土立方体抗压强度见表4。

表4 集料含泥量下减水剂的减水率

由表4可知，随着集料含泥量的增加，掺量为0.75%的萘系减水剂减水率呈现先增大，再逐渐平稳的趋势；集料含泥量为2.5%时，减水率达到最大值16.5%。随着集料含泥量的增加，掺量为0.32%的聚羧酸减水剂减水率呈现先降低，最终趋于平稳的趋势；集料含泥量为0.6%时，聚羧酸减水剂的减水率达到最大值25.2%。集料含泥量从2.5%增加至3.4%过程中，聚羧酸减水剂的减水率从23.6%下降至13.4%，降低43%。集料含泥量增至3.4%后，萘系减水剂与聚羧酸减水剂的减水率相近。

比较掺两种减水剂的混凝土在不同集料含泥量下标准养护7 d、28 d后的立方体抗压强度可知，掺量0.75%的萘系减水剂及掺量0.32%的聚羧酸减水剂混凝土7 d立方体强度均与集料的含泥量负相关；其28 d立方体强度随着含泥量的增加呈现先降低再增加最后降低的趋势。标准养护7 d、28 d后，掺量0.75%的萘系减水剂混凝土试块强度都高于对应掺量0.32%的聚羧酸减水剂的混凝土试块强度。造成混凝土抗压强度下降的原因是减水剂被黏土吸附后，要使配制的混凝土拌合物达到同样的流动性，需要增加用水量，从而增大了混凝土拌合物的水灰比，导致硬化混凝土抗压强度的降低。

2.4 混凝土性能对集料含泥量敏感性分析

2.4.1 减水剂减水效果对集料含泥量敏感性分析

以集料含泥量为自变量，分别以混凝土中萘系减水剂、聚羧酸系减水剂的减水率为因变量，利用式(5)～式(7)计算得出减水剂减水率敏感系数见图5。

图5 减水剂减水效果对集料含泥量敏感性

由图5可以看出，当集料含泥量高于3.0%时，掺0.32%的聚羧酸减水剂对集料含泥量的敏感性高于掺0.75%的萘系减水剂对集料含泥量的敏感性。当集料含泥量低于3.0%时，掺0.32%的聚羧酸减水剂对集料含泥量的敏感性则低于掺0.75%的萘系减水剂对集料含泥量的敏感性。聚羧酸减水剂减水率对集料含泥量敏感系数峰值较萘系减水剂减水率对集料含泥量敏感系数大约200%。

2.4.2 混凝土立方体抗压强度对减水剂敏感性分析

以混凝土中减水剂减水率为自变量，分别以混凝土7 d、28 d立方体抗压强度为因变量，利用式(5)～式(7)计算得出混凝土抗压强度敏感系数见表5。

表5 混凝土立方体抗压强度敏感系数Sx

由表5可以得知，掺量为0.75%的萘系减水剂混凝土试块强度对萘系减水剂的减水率为12.8%时，掺萘系减水剂的混凝土试块强度对萘系减水剂的减水率敏感性最高；掺量为0.32%的聚羧酸减水剂混凝土试块强度对聚羧酸减水剂的减水率为23.6%时，掺聚羧酸减水剂的混凝土试块强度对聚羧酸减水剂的减水率敏感性最高。掺聚羧酸减水剂的混凝土试块强度对聚羧酸减水剂减水率的敏感性远远高于掺萘系减水剂的混凝土试块强度对萘系减水剂减水率的敏感性。

3 结 论

(1) 砂含泥量为3.0%～3.4%时，减水剂的减水效果对砂含泥量的敏感性最高。

(2) 砂含泥量为3.4%时，聚羧酸减水剂的减水效果对砂的含泥量的敏感性较萘系减水剂高；且随着聚羧酸减水剂掺量的增加，砂含泥量对其减水效果影响增大。

(3) 大掺量萘系减水剂对含泥量敏感性较小。含有微量的黏土，能够提高萘系减水剂的减水效果。

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Sensitivity Analysis of Silt Content on Performance of Water-reducers

SONG Guanghui1，2

(1.JiangsuTransportationResearchInstitute,Nanjing,Jiangsu211112,China;2.TheStateKeyLaboratoryonSafetyandHealthofIn-serviceLong-spanBridges,Nanjing,Jiangsu211112,China)

The performance of water-ruducers is affected greatly by silt content of aggregate. In order to explore the influence law and influence mechanism of silt content on water-reducers, the influence of silt content of sand on water reduction performance of polycarboxylate superplasticizer and naphthalene superplasticizer was systematically investigated. Sensitivity analysis of water-reducers was conducted. The results show that water reduction performance of superplasticizer is sensitive to the 3.0%～3.4% of silt content; A certain amount of silt can contribute to the improvement of water reduction performance of naphthalene superplasticizer.

aggregate; silt content; superplasticizer; sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.035

2016-12-16

2017-02-17

宋光辉(1983—)，男，江苏南京人，工程师，主要从事桥梁质量控制及检测评估等工作。E-mail：sgh@jsti.com

TU528.042+.2

A

1672—1144(2017)02—0183—05