粘土对混凝土的影响及改善措施*

2020-12-01王敏张凯峰孟刚姚源胡宇博王佳敏童小根

商品混凝土 2020年11期

王敏，张凯峰，孟刚，姚源，胡宇博，王佳敏，童小根

（中建西部建设北方有限公司，陕西西安 710300）

聚羧酸减水剂作为高性能外加剂广泛应用于混凝土中，但近年来，其与混凝土原材料的相容性问题日益突出，尤其表现为混凝土原材料砂石中的粘土对混凝土的影响[1-2]。粘土是一种层状结构矿物质，当其掺入到混凝土中会膨胀吸水，将混凝土中的自由水吸进其自身中，导致混凝土中用于拌和的自由水减少，降低混凝土流动性能[3-4]。而且粘土对混凝土中的聚羧酸减水剂具有强烈的吸附作用，其对聚羧酸减水剂的吸附量是水泥对聚羧酸减水剂的吸附量的几倍甚至十几倍，因此大量减水剂会被其吸附，从而减少水泥对聚羧酸减水剂的吸附，作用于水泥颗粒的减水剂数量下降，混凝土流动性进一步降低[5-7]。除此之外，粘土吸附聚羧酸减水剂后，其层间距还会进一步增大，从而吸附更多自由水，再一次降低混凝土中的拌合水，造成恶性循环[8]，因此粘土对混凝土具有严重的不良影响。目前市场上用来解决粘土造成不良影响的方法并不多，常见的方法要么是对混凝土原材料砂石进行清洗，要么是通过多掺聚羧酸减水剂来解决，但是这两种方法都会大大增加混凝土的生产成本，并不是最佳的解决思路。本论文系统探究粘土及其掺量对水泥净浆流动度、混凝土流动性、混凝土外加剂掺量以及混凝土强度的影响，并制备一种低分子量共聚物混凝土阻泥剂，从而有效改善粘土对混凝土造成的不良影响。

1 试验部分

1.1 试验试剂和原料

（1）丙烯酸、异丙醇、丙烯酰胺、过硫酸铵为分析纯；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、烯丙基磺酸钠为工业级。

（2）水泥：本试验采用声威 P·O42.5 水泥，经过水泥试验测试其技术指标如表 1 所示。

表1 水泥基本技术指标

（3）粉煤灰：本试验采用大唐盛龙Ⅱ级粉煤灰，细度 20%，需水量比 103%，烧失量 6.5%。

（4）矿粉：本试验采用立之林 S95 级矿粉，密度2.9g/cm3，7d 活性指数 81%，28d 活性指数 98%。

（5）细骨料：本试验所用天然砂基本技术指标如表 2 所示。

表2 砂性能指标

（6）粗骨料：本试验所用碎石基本技术指标如表3 所示。

表3 碎石性能指标

（7）粘土：从试验用砂中，通过 75μm 方孔筛筛取所得。

1.2 共聚物阻泥剂的制备方法

在反应瓶上添加回流冷凝管并开启回流，反应瓶加入蒸馏水与异丙醇，加热至体系温度为 90℃，滴加丙烯酸、丙烯酰胺、烯丙基磺酸钠混合物水溶液和过硫酸铵水溶液，同时加入一定量甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，滴加时间约为 2h，滴加完毕后保温反应 2h，待体系的温度降至室温，用 NaOH 溶液中和，然后将异丙醇蒸出，即可得到共聚物阻泥剂溶液。

1.3 分析测试

分子量：采用美国 Waters 公司 2695 型凝胶渗透色谱仪，以 0.1mol/L 的 NaNO3水溶液为流动相进行试验；水泥净浆流动度：采用 NJ-160A 型水泥净浆搅拌机，参照 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行试验；混凝土坍落度与坍落扩展度：采用HJW-60 型混凝土搅拌机，参照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行试验；混凝土抗压强度：采用 DYE-2000 型混凝土试块压力机，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行试验。

2 结果及分析

2.1 粘土对水泥净浆流动度的影响

试验将砂中所筛的粘土掺入到水泥中，研究不同粘土掺量对水泥净浆流动度的影响，结果如表 4 和图 1。

从表 4 和图 1 可知，粘土对水泥净浆流动度有着非常大的负面的影响，当不惨粘土时，初始水泥净浆流动度可达到 280mm，1h 后基本无损失，随着粘土掺量的增加，水泥净浆流动度开始缓慢下降，当粘土掺量超过4% 时迅速下降，尤其 1h 流动度下降非常明显。

图1 粘土掺量对水泥净浆流动度的影响

2.2 粘土对混凝土坍落扩展度的影响

本试验以 C30 混凝土的扩展度为指标，研究不同粘土掺量对混凝土初始以及 1h 后流动性能的影响，混凝土配合比见表 5，结果见表 6 和图 2。

表5 混凝土配合比 kg/m3

表6 粘土掺量对混凝土扩展度的影响

图2 粘土掺量对混凝土扩展度的影响

与水泥净浆流动度趋势相似，混凝土的初始以及1h 扩展度随砂中粘土掺量的增大迅速下降，其中 1h 扩展度的下降趋势更为明显。当混凝土粘土掺量大于 8%时，1h 后流动性极差，当混凝土粘土掺量大于 10%时，混凝土 1h 后完全无流动性能。

2.3 粘土对外加剂掺量的影响

试验保持混凝土的水灰比不变，出机坍落度控制为(210±10)mm，扩展度 (530±20)mm，研究粘土掺量对外加剂掺量的影响，结果见表 7。

表7 粘土掺量对外加剂掺量的影响

由表 7 可知，随着砂中泥含量的增加，要保持混凝土出机达到相同的流动性能，外加剂的掺量需随着粘土掺量的增加而增加。且当砂中粘土掺量低于 10%时，粘土掺量每增加 1个百分点，外加剂大约需增加0.18%；当砂中粘土掺量高于 10% 且低于 18% 时，粘土掺量每增加 1个百分点，外加剂需增加 0.23%；本试验还探究了粘土掺量大于 18% 时对外加剂掺量的影响，根据试验观察，当砂中粘土掺量高于 18% 时，混凝土流动性极差，此时继续增加外加剂掺量，混凝土流动性变化不大，外加剂的掺入已经无法使混凝土具有较好的流动性。

2.4 粘土对混凝土强度的影响

试验保持 C30 混凝土的水灰比不变，坍落度控制为(210±10)mm，扩展度 (530±20)mm，研究不同粘土掺量对混凝土抗压强度的影响，结果见表 8 和图 3。

表8 粘土掺量对混凝土抗压强度的影响

图3 粘土掺量对混凝土抗压强度的影响

从表 8 和图3可知，混凝土 7d 以及 28d 抗压强度均随着粘土掺量的增加均呈下降趋势，其中粘土掺量从 4% 增加到 18%，混凝土 7d 抗压强度从 24.8 MPa下降到 20.6MPa，强度下降 4.4MPa，28d 抗压强度从39.2MPa 下降到 31.8MPa，强度下降 7.4MPa。因此粘土不仅对混凝土工作性能具有较大的负面影响，同时会对混凝土的力学性能造成严重危害。

2.5 共聚物阻泥对水泥净浆流动度的影响

将共聚物阻泥剂与聚羧酸减水剂复配掺入到水泥净浆中，探究共聚物阻泥剂对水泥净浆流动度的影响，结果见表 9 和图 4。

表9 共聚物阻泥对水泥净浆流动度的影响

图4 共聚物阻泥对水泥净浆流动度的影响

由图 4 可知，掺入共聚物阻泥剂后，水泥初始净浆流动度提高了 12mm；30min 净浆流动度提高了31mm；60min 净浆流动度提高了 39mm。共聚物阻泥剂的掺入有效提高了水泥净浆的流动性能，尤其对水泥浆体的后期流动性能具有更大的提升。

2.6 共聚物阻泥对混凝土坍落扩展度的影响

将共聚物阻泥剂与聚羧酸减水剂复配掺入到混凝土中，探究共聚物阻泥剂对混凝土坍落度和扩展度的影响。目前有些学者将低分子量的聚乙二醇添加到混凝土中作为阻泥剂使用，因此本次试验将合成的共聚物与低分子量聚乙二醇作对比试验，结果如图 5。

由图 5 可知，掺入共聚物阻泥剂后，混凝土初始扩展度提高了 45mm；60min 扩展度提高了 100mm。共聚物阻泥剂的掺入使得混凝土工作性能得到有效提高，不仅使得混凝土出机流动性增大，而且大幅度降低了混凝土流动性的损失，具有较优的阻泥性能。低分子量聚乙二醇的掺入同样可以提高混凝土的扩展度，但性能略差于本试验所合成的共聚物阻泥剂。

图5 共聚物阻泥对混凝土扩展度的影响

2.7 共聚物阻泥剂的分子量检测

本试验所合成的共聚物阻泥剂的作用机理为，通过试验合成一种低分子量线状结构共聚物，因为低分子量线状结构，与梳状结构的聚羧酸减水剂相比，不仅结构简单，而且分子量是减水剂的十分之一甚至更小，因此将共聚阻泥剂物与聚羧酸减水剂同时掺入混凝土中，共聚物阻泥剂的扩散自由度更大，可以更快地被粘土吸附，从而减少粘土对聚羧酸减水剂的吸附，进而混凝土中发生作用的聚羧酸减水剂的量增大，混凝土流动性提高，为了探究本试验所合成的聚合物是否为低分子量共聚物，通过凝胶渗透色谱对其分子量进行检测，结果如图 6。

图6 共聚物阻泥剂分子量

根据图 6 可知，共聚物阻泥剂的分子量为 2271，多分散系数为 1.05，而常用的聚羧酸减水剂分子量一般为 30000～60000，共聚物阻泥剂的分子量远远小于聚羧酸减水剂，因此可以通过竞争吸附缓解粘土对混凝土造成的不良影响。除此之外，低分子量线性共聚物还是一种优良的陶瓷分散剂[9-10]，而陶土的主要成分为粘土，因此共聚物阻泥剂被粘土吸附后还可以对粘土起到很好的分散作用，释放被聚集在一起的粘土包裹的自由水，从而进一步提高混凝土体系的流动性。