机制砂 MB 值对聚羧酸减水剂性能的影响研究

李伟腾

（科之杰新材料集团有限公司，福建 厦门 361101）

0 引言

自 2018 年来，全国多地禁止河砂和淡化海砂的使用，推广使用机制砂，机制砂已经逐渐取代天然砂，成为混凝土生产的重要材料之一。由于不同厂家的母岩性质和生产设备不同，导致机制砂质量差别很大。机制砂的细度模数与微粉含量主要受粉碎设备及粉碎时间的影响，通常是可调整的，机制砂生产过程中会产生一定量粒径小于 75μm 的微粉，这些微粉的主要成分为与母岩化学成分相同的石粉，但由于在生产过程中难免会掺杂少量表土，一些岩石的层间往往也夹杂有一定的天然土，所以微粉中往往还掺杂着成分各异的泥粉。这些微粉的成分往往会对混凝土的质量产生较大影响，因此对机制砂中微粉成分的检测成为评定一种机制砂是否满足配制要求的重要指标。目前我国通过测定 MB 值来检测机制砂细粉中以什么成分为主，当 MB 值≤1.4 时，认为细粉的主要组成为石粉，判定为合格；反之认为细粉主要以泥粉为主[1]。这样判断过于片面，缺少微粉成分对混凝土的影响研究，本文针对目前市场应用较为广泛的聚羧酸系减水剂，通过研究机制砂的 MB 值对石粉和泥粉的掺量、新拌混凝土的扩展度损失和硬化后的强度的影响，为混凝土的生产和质量控制提供一定的指导。

1 试验原材料

水泥：建福 P·O42.5R 水泥。

粉煤灰：F 类Ⅱ级灰，烧失量 7.2%，细度（45μm方孔筛余）15.6%，需水比 102%。

基准砂：水洗去掉 0.075mm 微粉的花岗岩机制砂，细度模数为 2.8，级配区间为Ⅱ区。

碎石：5～31.5mm 连续级配碎石。

外加剂：科之杰 Point-400S 聚羧酸高效减水剂（标准型）。

石粉：取试验用机制砂，水洗烘干后，经球磨机研磨，过 0.075mm 方孔筛，经 45μm 方孔筛筛余为17.8%。

泥粉：取厦门桩基工地表层土，烘干后经球磨机研磨，筛除 0.075mm 以上颗粒，经 45μm 方孔筛筛余为 18.0%。

2 MB 值试验

2.1 试验方法

机制砂 MB 值的测定按照 GB/T 14684—2011《建设用砂》[1]中规定的机制砂亚甲蓝试验方法进行。通过向基准砂中添加定量的纯净石粉或泥粉来调整机制砂中的石粉或泥粉含量然后进行亚甲蓝试验。考虑到石粉对亚甲蓝的吸附量相对较少，对 MB 的影响较小，如按 GB/T 14684—2011 中亚甲蓝添加方法进行试验时容易过量，造成 MB 值与细粉含量无线性规律的现象。因此，参考一些文献[2]推荐的方法，在进行石粉对 MB值的影响试验时将规范中亚甲蓝的滴加规则由“每次滴加 5mL，第 5 分钟时消失加 2mL”改为“每次滴加2mL，第 5 分钟时消失加 1mL”，使泥粉对 MB 值的影响试验时则与规范一致，以提高试验精准度减小试验误差。

2.2 试验结果

控制石粉和泥粉按一定量替代机制砂，进行亚甲蓝试验，测得基准砂的 MB 值为 0.5，当石粉掺量达到20%，MB 值为 1.0，当泥粉掺量达到 12% 时，MB 值达到 7.0，详细试验结果见图 1。

图 1 微粉含量对 MB 值影响

通过图 1 可以发现，随着石粉和泥粉含量的增加，机制砂 MB 值均呈逐渐增大的趋势，且存在较好的线性相关性。同时，通过比较两者的拟合线性关系式可以看出，机制砂的 MB 值受泥粉含量影响比较大。

表 1 微粉的化学性能 %

表 2 微粉的粒径分布 %

图 2 微粉扫描电镜图

通过表 2 的粒径分析可以发现，两者的粒径分布存在较大的差异，泥粉的颗粒粒径相对较小，因此泥粉相对石粉拥有较大的比表面积。通过观察图 2 石粉泥粉的电镜扫描图，可以发现石粉主要是一些致密的相对规则的颗粒组成，泥粉主要是由膨胀性粘土矿物构成，颗粒形状不规则，表面疏松多孔，粘土矿物为层状结构，含有硅氧四面体及铝八面体这两种基本的结构单元[3]。这种层状结构使得粘土的微观结构存在着大量的空隙，又大大增加了其比表面积，通过试验测得泥粉的比表面积达到了 1126m2/kg，大大超过了石粉的 456m2/kg。

且泥粉在水溶液中溶解后，因表面层的断键和晶格内部离子的不等价置换而带负电[4]，而由图 3 亚甲蓝的分子结构图可知，单分子层结构的亚甲蓝带有一定量的正电荷，因此与石粉相比，泥粉更容易吸附的亚甲蓝分子，在物理和化学两个因素同时影响下，机制砂的 MB值随泥粉含量增加呈现快速增长趋势。

图 3 亚甲蓝的分子结构

3 混凝土试验

3.1 混凝土配合比

试验的混凝土配合比见表 3。

表 3 混凝土配合比 kg/m3

3.2 试验结果及分析

3.2.1 MB 值与混凝土外加剂掺量

通过控制混凝土外加剂掺量，使混凝土初始坍落度在 (220±10)mm，扩展度在 (550±20)mm，得到 MB 值与掺量关系见表 4 和图 4。

表 4 不同 MB 值对外加剂掺量的影响

图 4 MB 值与混凝土外加剂掺量关系

通过图 4 可以发现聚羧酸减水剂掺量随 MB 值呈递增现象并且存在较好的二次项线性相关。羧酸减水剂作为一种表面活性剂与亚甲蓝类似易吸附于带水泥颗粒或微粉颗粒表面，当混凝土中有微粉存在时，微粉表面将吸附一定量的减水剂，导致减水剂在水泥颗粒表面的吸附量减少，其塑化效果降低，需增加减水剂的用量，才能保持其原有的塑化效果。同时 MB 值的增长不仅仅存在着微粉的吸附效果，也伴随着微粉粉颗粒对自由水的吸附现象，导致固液两相体积发生变化[5]，在这两者的共同影响下，造成了 MB 值与聚羧酸减水剂掺量呈现上述关系。

3.2.2 MB 值与混凝土经时损失

与坍落度相比扩展度更能体现大坍落度混凝土的损失状态，因此通过扩展度损失来研究混凝土的损失状态，试验结果见表 5 和图 5。

表 5 MB 值对混凝土扩展度损失的影响

图 5 MB 值与混凝土扩展度损失关系

通过图 5 可以发现混凝土扩展度的损失情况在试验范围内，在三个数值阶段呈现出不同的影响，当 MB 值在 0.5～1.0 时，该阶段混凝土坍落度的损失不会随着MB 值变化，该阶段主要添加的是石粉，因此可以认为石粉含量对聚羧酸减水剂的吸附有限，对混凝土的扩展度损失基本没有影响；而当 MB 值在 1.0～2.6 时，该阶段主要是泥粉对外加剂的吸附造成的混凝土扩展度损失随 MB 值的增大明显加剧；当 MB 值为 2.6～7.0 时，该阶段的泥粉对外加剂的吸附已趋于饱和，因此扩展度损失又会有明显改善。

表 6 MB 值对混凝土抗压强度的影响

3.2.3 MB 值与强度的关系

MB 值与 7d、28d 和 60d 混凝土抗压强度见表 6。

通过表 6 可以发现，混凝土的抗压强度受 MB 值影响不大，主要受石粉和泥粉含量的影响，随着石粉含量的增高会有缓慢的上升，随着泥粉含量的增高会明显的下降。石粉的质地坚硬，起到了微集料和矿物添加剂的作用，具有一定的活性，不仅填充了混凝土的孔隙并还能与水泥反应，减少混凝土结构的缺陷，因此强度有一定的提升。而泥粉会阻碍集料与水泥的粘结，形成强度的薄弱区，降低了水泥与砂粘结力，同时泥粉还会对水泥的水化产生影响，起到腐蚀破坏作用，从而降低了混凝土的强度。

4 结论

通过本次试验，得到以下结论：

（1）机制砂的 MB 值主要受泥粉的含量影响，石粉含量虽然会影响 MB 值但是影响程度有限，泥粉含量在 12%，MB 值增长幅度为 6.5g/kg，石粉含量在20%，MB 值增长幅度仅为 0.5g/kg。

（2）通过对聚羧酸减水剂的掺量和混凝土扩展度损失的研究发现，聚羧酸减水剂掺量会随 MB 值的增长呈二次项增长趋势，坍落度损失在不同阶段会有不同的表现，因此在生产过程中如果有聚羧酸减水掺量和混凝土损失的异常的波动均要格外注意机制砂中的微粉含量和成分。

（3）混凝土强度不受 MB 值的影响，但是会受到机制砂中含泥粉量的严重影响，因此如果测得机制砂的MB 值＞1.4，需严格控制微粉的含量，否则将对混凝土的质量产生严重危害。