机制砂含泥量对混凝土气泡参数的影响研究

2022-06-24方小利李炜王安书庄智杰邓林

新型建筑材料 2022年6期

方小利，李炜，王安书，庄智杰，邓林

（1.云南众恒集团云南恒达混凝土有限公司，云南昆明 650032；2.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211108）

0 前言

砂作为重要的混凝土组成材料，通常定义为集料中粒径为0.16～5mm的颗粒，其品质的优劣会直接影响混凝土的性能。所含有的泥成分一般指从砂中冲洗出来，颗粒粒径在0.16 mm以下的尘屑、黏土和淤泥。伴随天然砂的短缺，品质优良且颗粒级配良好的砂越来越少，泥在混凝土中的含量高低将会以不同的形式起到不同的作用，从而使混凝土的收缩、抗渗、强度等性能受到不利影响。如果机制砂含泥量过大，混凝土用水量增大，保塑性变差，收缩加大，混凝土强度必然下降[1]。

黏土是砂石表面吸附的主要泥成分，黏土中层状硅酸盐矿物对聚羧酸减水剂分子具有吸附能力，且吸附能力远大于水泥，部分聚羧酸减水剂分子被吸附进黏土层状结构中，导致聚羧酸减水剂的减水率不足，影响新拌混凝土的工作性能，且影响混凝土后期强度的发展和耐久性能[2]。目前，关于该方面的研究主要集中在泥土对水泥净浆流动性及混凝土工作性能、强度方面的影响，泥土对混凝土气泡结构影响方面的研究较少，由于混凝土气泡参数是影响混凝土工作性及外观形貌的一项重要指标，良好的气泡参数是合理气泡体系建立的必要条件。故开展砂中含泥量对混凝土气泡参数的影响研究具有重要的实际意义。为了更好地将聚羧酸减水剂应用于商品混凝土，保证混凝土的各项性能，本文以掺入聚羧酸减水剂的混凝土为对象，通过控制机制砂中的含泥量，研究机制砂含泥量对商品混凝土含气量、经时含气量损失率、气泡间距系数及硬化外观气孔分布等气泡参数的影响。

1 试验

1.1 原材料

水泥：曲靖雄业水泥厂，P·O42.5水泥，密度3.07 g/cm3，比表面积376 m2/kg，物理力学性能见表1；粉煤灰：云南清荣，Ⅱ级，比表面积397 m2/kg；矿粉：昆钢嘉华，S75级，比表面积446 m2/kg；砂：恒瑞建材有限公司产，1#和2#机制砂的细度模数分别为2.9、3.1；石：恒瑞建材有限公司产，5～25 mm连续级配石灰岩碎石；外加剂：减水率28%的聚羧酸高性能减水剂及离子复合型消泡剂与引气剂，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》的要求，将消泡剂与引气剂均按0.1%的比例掺入减水剂复配使用，外加剂均由江苏苏博特新材料股份有限公司提供。

表1 水泥的物理力学性能

1.2 配合比

机制砂含泥量控制：将含泥量较高的1#机制砂过0.15mm筛，得到一定量的泥粉（为黏土矿物中的蒙脱土），通过人工调配2#机制砂与泥粉的比例，得到泥粉含量分别为0、2%、4%、6%、8%、10%的6种机制砂，对应MB值分别为1.25、1.70、2.00、2.75、3.00、3.25g/kg。根据试配情况调整外加剂掺量，控制混凝土初始坍落度为（200±20）mm，C30混凝土配合比见表2。

表2 C30混凝土的配合比

1.3 试验方法

（1）含气量及经时损失：按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试，仪器为日本三洋直读气压式含气量仪。以混凝土静置1 h含气量损失率作为表征混凝土含气量稳定性的参数，具体计算如式（1）所示：

式中：Q——混凝土静置1 h含气量损失率，%；

A0——混凝土的初始含气量，%；

A1——混凝土静置1 h后的含气量，%。

（2）硬化混凝土气泡参数采用混凝土气泡参数分析系统自动采集数据。将标养28 d的试块切割成厚度为2 cm的薄片，经打磨、抛光、喷荧光粉、干燥清洁后放入试验机测试，测试区域为60 mm×60 mm，气泡圆形度取0.45，阈值取30。设置完成后，由系统软件自动采集数据和计算结果。

（3）硬化外观气孔分布：采用高清照相机单位面积稳定拍摄方法，然后通过软件分析单位面积内总气孔数量及平均孔径（只统计孔径≥0.5 mm的气孔），作为表征混凝土硬化外观气孔分布的指标。

2 结果与讨论

2.1 机制砂含泥量对混凝土含气量的影响（见表3）

表3 机制砂含泥量对混凝土含气量及经时损失的影响

由表3可以看出，机制砂含泥量越高，达到相同坍落度所需要的外加剂掺量越多。这是因为该机制砂泥粉中含泥的种类为黏土矿物中的蒙脱土，其在混凝土中属于惰性材料，不会与水泥浆体产生化学反应；其次由于其内部结构为多层结构，层间吸水率高，且吸水膨胀后层间距进一步加大导致需水量的急剧增大，其疏松的结构在吸水后会在混凝土中形成强度薄弱区，影响水泥浆体与骨料的胶结作用，妨碍水泥的正常水化，同时泥粉颗粒对减水剂的吸附性远大于水泥颗粒，导致减水剂在竞争吸附过程中难以有效吸附于水泥颗粒上，最终导致减水性能难以充分发挥[3]。随着外加剂掺量的增加，初始含气量呈先增大后减小的趋势。这是因为引气剂以一定的比例掺入减水剂中，随着外加剂掺量的增加，引气剂的总量也随之增加，对混凝土的引气作用也相应提升，故含气量增大。但当外加剂掺量增到一定程度，随着外加剂掺量的进一步增加，含气量反而会呈现下降趋势，这是因为外加剂掺量的增加是由于含泥量增加，当含泥量大于6%时，泥粉对于减水剂的吸附作用大幅提升，尤其是对于引气剂的吸附作用加强，造成引气作用减弱，同时过量泥粉产生的胶结作用造成混凝土内部自由水量急剧减少，造成混凝土形成类似于低水胶比下的低塑性状态，使得气泡的形成更加困难，故此时含气量反而减小。

2.2 机制砂含泥量对混凝土含气量稳定性的影响

由表3可以看出，随机制砂含泥量的增加，混凝土1 h含气量损失率呈先增大后减小的趋势。这是因为随着含泥量的增加，引气剂随着外加剂掺量的增加而增加，当含泥量小于6%时，引气剂受泥粉的吸附作用较小，含气量仍随引气剂掺量的增加而增大，经时1 h后，水泥浆体中的超量小气泡在颗粒沉降作用下受到扰动，逐渐聚结成大气泡并受上浮力影响溢出浆体，含气量越大，小气泡越容易汇聚成大气泡溢出，含气量损失率也越大[4-5]。含气量经时损失后最终趋于稳定状态，而稳定状态下的含气量差异要明显弱于初始状态下，故当含泥量小于6%时，含气量损失率也随含泥量的增加而增大；当含泥量大于6%时，随着含泥量的增加，泥粉对于引气剂的吸附作用要大于引气剂增量对含气量所产生的影响，泥粉越多造成吸附作用越强，引气剂的有效引气作用越小，故初始含气量也随之减小，初始较小的含气量对稳泡有利，而经过1h的静置后，由于泥粉吸水膨胀后对混凝土造成的稠化效应较初始增强，气泡在稠度更大的水泥浆体中因为较大的运动粘滞阻力而不容易运动聚结逃逸，故存在更加稳定，混凝土含气量损失率反而减小。

2.3 机制砂含泥量对混凝土气泡间距系数的影响

气泡间距系数是指浆体中任意一点至孔隙的平均距离。在一定含气量时，气泡尺寸越小，间距系数越小。研究表明[6]，气泡间距系数较小的气泡结构对混凝土强度的影响较小，且有利于混凝土的耐久性。机制砂含泥量对混凝土气泡间距系数的影响见表4。

表4 机制砂含泥量对混凝土气泡间距系数的影响

由表4可以看出，当机制砂含泥量小于4%时，混凝土气泡间距系数随着机制砂含泥量的增加而减小，因为随着含泥量增加，减水剂与引气剂增量导致表面活性作用增强，导致含气量增加，而含气量增加是造成气泡间距系数减小的重要推动力，此时增加的含泥量，同时能够发挥增加混凝土浆体黏稠度的作用，降低了搅拌过程中卷入气体与浆体之间的界面能，从而辅助引气使得气泡间距系数减小的更加显著[7]。而随着含泥量增加到一定量时，其对引气的负面影响表现逐渐增强，造成含气量随含泥量的增加反而减小，此时机制砂中含泥量增加同时对混凝土内部气泡产生另外一种影响，即泥吸附自由水自身膨胀形成空间结构，增加混凝土浆体的黏稠度，而更高黏稠度的浆体对液泡更高的表面张力具有较好的容忍度，这对较大尺寸气泡的稳定存在有利，造成相同含气量下混凝土中可稳定存在的气泡尺寸增大，气泡间距系数呈现增大趋势，因此当机制砂含泥量大于4%时，随着含泥量的增加混凝土的气泡间距系数反而增大[8-9]。

2.4 机制砂含泥量对混凝土硬化外观气孔分布的影响

混凝土硬化外观气孔分布是表征混凝土外观质量重要的组成，但硬化气孔分布成因复杂，包括配合比、外加剂、施工工艺等都会对气孔分布产生较大影响，从混凝土性能角度考虑主要有2个影响因素：一是混凝土内部气泡结构，其在混凝土塑性失去后在紧贴模板壁位置的气泡形成气孔；二是浆体的流变性能，浆体的屈服应力和塑性黏度直接影响其与模板界面特性[10]。机制砂含泥量对混凝土硬化外观气孔平均尺寸和气孔数量的影响如图1所示。

由图1可以看出，随着机制砂含泥量的增加，混凝土外观气孔平均尺寸逐渐增大，说明含泥量增加对外观气泡结构产生了不利的影响。而含泥导致塑性黏度的增大对气泡稳定附着在模板界面有利，且屈服应力的增大造成气泡浆体薄壁稳定性增强及搅拌气泡聚结效果削弱，综合使得混凝土内部形成连续尺寸分布的气泡附着于模板与浆体的交界面，进而造成硬化外观气泡平均尺寸增大[11]。而因含泥量增加导致的浆体塑性黏度增大带来的不仅是外观气孔尺寸增大，还伴随着气孔数量的增加，这主要因为受到含气总量增加的影响。机制砂中含泥量增加，对混凝土不仅具有一定的辅助引气的能力，导致混凝土中各尺寸气泡数量都迅速增大，且含泥量在合适范围内增加时可改善混凝土的气泡结构；但当含泥量增大到4%以上时，混凝土硬化外观气孔数量随着含泥量的增加逐渐减少，此时除了受到泥对引气作用降低的影响外，还受到气泡平均尺寸持续增大的作用，即一定含气量条件下混凝土内部气泡结构呈现“化零为整”的状态，大尺寸气泡在所有气泡中的占比增加，最终导致硬化混凝土外观中单位面积内气孔数量的减少。