高吸附性机制砂混凝土施工性能调控研究

2022-05-10王振黄法礼李化建王涛利易忠来杨志强

铁道建筑 2022年4期

王振黄法礼李化建王涛利易忠来杨志强

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.浙江交投丽新矿业有限公司，浙江丽水 323010

随着优质天然河砂资源的不断消耗，机制砂逐渐成为混凝土细骨料的主要来源［1］。工程实践表明，高吸附性机制砂具有吸水率高的典型特征［2］，采用高吸附性机制砂制备的混凝土易出现泵送时堵管、浇筑后振捣困难、成型后结构不密实等现象［3］，影响混凝土结构的施工进程和服役性能。铁路、公路等行业标准［4-5］通过规定机制砂吸水率指标限制高吸附性机制砂的应用。

机制砂高吸附性的一方面原因是生产过程中掺入了黏土矿物。蒙脱土、高岭土和伊利土等主要黏土矿物具有铝硅酸盐层状结构［6］，在混凝土中竞争吸附减水剂［7］、吸水膨胀［8］和阻碍水泥水化［9］，导致混凝土工作性能、力学性能、耐久性能和体积稳定性能均发生不同程度的劣化［10-11］。黏土矿物引起机制砂吸附性高的问题可通过控制机制砂生产工艺有效解决。

机制砂高吸附性的另一方面原因与母岩成岩过程密切相关，是机制砂自身的物理特性。邓最亮［12］研究认为非洲马普托大桥项目中的骨料吸水率大于3%的原因是岩石的多孔结构。Feng等［13］研究发现，相比于含有辉石链状结构的石粉，聚羧酸减水剂更易插层吸附到含有白云母层状结构的石粉上，而短侧链的聚羧酸减水剂在两种石粉中的分散差异性较小。张广田等［14-15］研究认为硅质机制砂表面存在大量的硅氧断裂键，通过阳离子形成双电层大量吸附阴离子减水剂分子，进而开发出具有强分散和吸附络合作用的改性剂提高硅质机制砂混凝土的工作性能。目前针对机制砂自身高吸附性对混凝土性能影响的研究较少，高吸附性机制砂的应用还存在技术瓶颈。

随着机制砂应用范围不断拓展，各类不同成岩机理的岩石被用于生产机制砂，高吸附性机制砂在工程中的应用频率逐渐升高［16］。本文以火成岩类高吸附性玄武岩机制砂为研究对象，从颗粒级配优化、石粉含量调整、预吸水处理、降低替代率和掺加专用保坍外加剂等方面研究高吸附性机制砂混凝土施工性能调控技术措施，以期为高吸附性机制砂的应用提供指导。

1 试验

1.1 原材料

试验所用的P·O 42.5普通硅酸盐水泥（C）和F类Ⅰ级粉煤灰（FA）满足TB 10424—2018《铁路混凝土工程施工质量验收标准》［4］中的技术要求，其主要物理性能和化学组成见表1。河砂（HS）和玄武岩机制砂（XWY）的主要性能见表2，玄武岩机制砂的MB值为2.0 g/kg，吸水率为2.5%，具有显著吸附性能。粗骨料（G）为5～20 mm连续级配碎石。试验采用了4种减水剂，分别为：减水率32%、固含量28%的标准型聚羧酸减水剂（SP1）；减水率30%、固含量25%的保坍型聚羧酸减水剂（SP2）；减水率20%、固含量27%的脂肪族减水剂（SP3）；减水率20%的粉状萘系减水剂（SP4）。水（W）为自来水。

表1 水泥和粉煤灰主要物理性能和化学组成

表2 细骨料主要性能

从材料角度采用不同技术手段对玄武岩机制砂进行调控，研究高吸附性机制砂混凝土施工性能变化规律。不同类型机制砂的制备方法如下：

1）不同颗粒级配机制砂：先将机制砂筛分成＜0.075 mm、0.075～0.15 mm、0.15～0.3 mm、0.3～0.6 mm、0.6～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm共7个粒级，砂颗粒级配曲线见图1。可知：玄武岩机制砂原始级配中粗颗粒含量比例高，超出GB/T 14684—2011《建设用砂》中2区界限，细度模数为3.3；级配A位于2区界限之间，细度模数为2.6；级配B用于对比试验，其细颗粒含量比例高，细度模数为1.8。

图1 砂颗粒级配

2）不同石粉含量机制砂：先将机制砂颗粒级配设置为级配A，然后再称取定量石粉添入到级配A中制成石粉含量分别为0、3%、5%、8%、10%、15%的机制砂。

3）预湿机制砂：将级配A、石粉含量5%的机制砂在水中浸泡48 h，然后自然风干至饱和面干状态，预湿机制砂的吸水率为2.5%。

4）不同替代率机制砂：采用级配A、石粉含量5%的机制砂替换河砂，制备成机制砂替代率分别为0、10%、20%、30%、40%、50%、60%的混合砂。

1.2 配合比

参照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计了混凝土配合比，见表3。HS为采用河砂制备的对照组混凝土；J1-J3为采用不同级配机制砂制备的混凝土；J4-J9为采用不同石粉含量机制砂制备的混凝土；J10为采用预湿机制砂制备的混凝土；J11-J17为采用不同替代率机制砂制备的混凝土；J18-J21为采用不同减水剂制备的玄武岩机制砂混凝土。

表3 混凝土配合比 kg·m-3

J1-J3和J11-J17中减水剂掺量与HS中的掺量保持一致，J4-J9、J10和J18-J21中减水剂掺量与HS不同，目的是调整减水剂掺量将机制砂混凝土坍落度与河砂混凝土控制在相近水平，比较调控措施对降低混凝土制造成本的效果。J1-J18中，混凝土配合比中所用的减水剂均为标准型聚羧酸减水剂；J19中使用的减水剂是保坍型聚羧酸减水剂，J20中使用的减水剂是脂肪族减水剂，J21中使用的减水剂是萘系减水剂。

1.3 试验方法

将水泥、粉煤灰、砂、碎石按照配合比加入搅拌机中，启动搅拌机强制搅拌30 s，再在搅拌好的混合材料中加入水和外加剂，强制搅拌180 s，制得新拌混凝土。按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试新拌混凝土坍落度和含气量。按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》成型边长100 mm立方体试件，标准养护至规定龄期后测试试件抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 颗粒级配对混凝土性能的影响

颗粒级配对机制砂混凝土工作性能的影响见图2。减水剂掺量相同时，机制砂混凝土的初始坍落度小于河砂混凝土；河砂混凝土60 min后的经时坍落度为160 mm，而60 min后不同级配的机制砂混凝土均无流动性。玄武岩机制砂由于具有高吸附性，在水泥浆体中逐渐吸附减水剂分子和水，导致减水剂分散作用降低以及自由水含量减少［17］，机制砂混凝土的工作性能显著损失。J1和J3的初始坍落度比J2分别小10.8%和5.4%。玄武岩机制砂原始级配细度模数为3.3，粗颗粒含量高，混凝土泌水倾向大；级配B细度模数为1.8，细颗粒质量分数比例高，机制砂的总比表面积大，对减水剂和水的吸附性增强，且在流变过程中对浆体需求量更高；级配A细度模数为2.6，粗、细颗粒含量比例合理，对混凝土工作性能贡献优于原始级配机制砂和级配B机制砂。

图2 颗粒级配对机制砂混凝土工作性能的影响

颗粒级配对机制砂混凝土抗压强度的影响见图3。机制砂混凝土的28 d抗压强度均高于河砂混凝土，机制砂中石粉填充效应［18］以及颗粒棱角性强［19］有利于提升混凝土的抗压强度。级配B机制砂混凝土的抗压强度最高，可能与机制砂中细颗粒含量高，填充效果更强有关［20］。高吸附性机制砂对混凝土抗压强度无劣化作用，优化机制砂级配可改善高吸附性机制砂混凝土的初始工作性能，但对改善高吸附性机制砂混凝土经时工作性能的效果有限。

图3 颗粒级配对机制砂混凝土抗压强度的影响

2.2 石粉含量对混凝土性能的影响

石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响见图4。通过调整减水剂掺量，机制砂混凝土的初始坍落度均能达到185～200 mm，但机制砂的高吸附性致使60 min后不同石粉含量机制砂混凝土均无流动性。随着机制砂中石粉含量的增大，达到目标初始坍落度的减水剂掺量不断提升，15%石粉含量机制砂混凝土比不含石粉机制砂混凝土的减水剂用量增加了60.5%，这是因为石粉含量增大，机制砂的总比表面积增加［21］，水泥浆体中水和减水剂的吸附性增强。

图4 石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响

石粉含量对机制砂混凝土抗压强度的影响见图5。随着石粉含量的增大，机制砂混凝土的抗压强度增加，10%石粉含量的机制砂混凝土28 d抗压强度最高，是河砂混凝土抗压强度的106.0%。机制砂石粉填充作用和成核作用有利于混凝土抗压强度的提升［22］；对于高吸附性的玄武岩机制砂，石粉含量增大加强了对浆体中自由水吸附作用，减小了新拌混凝土的有效水胶比［20］，使机制砂混凝土抗压强度较高。石粉含量为15%时，机制砂混凝土抗压强度开始略有降低，石粉超过最佳掺量可能破坏骨料的紧密堆积结构［23］，且稀释浆体中水泥水化产物浓度［24］，使浆-骨界面薄弱，不利于混凝土强度提升。高吸附性机制砂混凝土的工作性能特点是工作性能保持难，调整石粉含量对于经时坍落度改善效果不明显，但根据实际需求控制石粉含量在合理范围内，可以降低减水剂掺量从而达到控制生产成本和提升混凝土抗压强度的效果。

图5 石粉含量对机制砂混凝土抗压强度的影响

2.3 预湿机制砂对混凝土性能的影响

预湿机制砂对混凝土工作性能的影响见图6。相同坍落度条件下，预湿机制砂混凝土和干燥机制砂混凝土的减水剂掺量分别为4.3、1.8 kg/m3。机制砂的吸水率为2.5%，采用预湿机制砂相当于每立方米混凝土中用水量增加了20.8 kg，因此减水剂的需求量降低。预湿机制砂对混凝土抗压强度的影响见图7。用水量提升增大了机制砂混凝土水胶比，预湿机制砂使混凝土7 d和28 d抗压强度分别降低了4.8%和3.5%。

图6 预湿机制砂对混凝土工作性能的影响

图7 预湿机制砂对混凝土抗压强度的影响

2.4 机制砂替代率对混凝土性能的影响

机制砂替代率对混凝土工作性能的影响见图8。在减水剂掺量均为4.4 kg/m3的条件下，随着机制砂替代率增大，混凝土初始坍落度降低，机制砂替代率为60%时，混凝土初始坍落度降低了14.3%；混凝土60 min坍落度随着机制砂替代率增大呈现出较大程度降低，当机制砂替代率为60%时，混凝土60 min坍落度降低了62.5%。当机制砂替换率在30%以内时，混凝土的工作性能与河砂混凝土相当，此时高吸附性机制砂的负面效应不明显；当机制砂替代率超过30%时，由于玄武岩机制砂的吸附作用增大，混凝土的经时工作性能损失显著。

图8 机制砂替代率对混凝土工作性能的影响

机制砂替代率对混凝土抗压强度的影响见图9。机制砂替代部分河砂后，混凝土的抗压强度提高，替代率为10%、20%、30%、40%、50%、60%的混凝土，56 d抗压强度分别提高了1.88%、2.44%、4.51%、4.89%、5.08、4.89%，这与机制砂替代部分河砂后发挥石粉填充效应、颗粒棱角特性以及吸水效应有关。机制砂替代率在30%以内时不显著影响混凝土工作性能，且能提升混凝土的抗压强度。

图9 机制砂替代率对混凝土抗压强度的影响

2.5 减水剂类型对混凝土性能的影响

减水剂类型对机制砂混凝土工作性能的影响见图10。机制砂混凝土的坍落度相同时，标准型聚羧酸减水剂、保坍型聚羧酸减水剂、脂肪族减水剂和萘系减水剂的掺量分别为4.3、4.2、10.0、7.5 kg/m3。由于减水剂在水泥浆体中的效应不同，减水剂掺量的差异性较大，脂肪族减水剂和萘系减水剂的掺量显著高于聚羧酸减水剂。采用标准型聚羧酸减水剂制备的机制砂混凝土60 min后已完全无工作性，原因是聚羧酸减水剂被机制砂逐渐吸附，削弱了其在混凝土中的分散作用。采用保坍型聚羧酸减水剂制备的机制砂混凝土经时坍落度较好，60 min时坍落度为175 mm，高于河砂混凝土的60 min坍落度，这与保坍型聚羧酸减水剂在水泥水化碱性环境中不断水解释放保坍组分有关［25］。尽管机制砂对减水剂分子有高吸附作用，但缓释的聚羧酸减水剂小分子能够不断补充被吸附的减水剂分子，保持了机制砂混凝土的良好工作性能。采用脂肪族减水剂和萘系减水剂制备的机制砂混凝土，60 min经时坍落度分别为55、65 mm，优于掺加标准型聚羧酸减水剂的机制砂混凝土。脂肪族减水剂和萘系减水剂的减水效能不及聚羧酸减水剂［26-27］，在大掺量条件下才能发挥良好的分散作用，机制砂吸附脂肪族减水剂和萘系减水剂分子达到饱和状态后，剩余的减水剂分子在水泥浆体中继续发挥减水作用，因此机制砂混凝土的经时坍落度较小但还未完全损失。综上可知，制备经时工作性能良好的高吸附性机制砂混凝土宜优先选用保坍型聚羧酸减水剂。

图10 减水剂类型对混凝土工作性能的影响

减水剂类型对机制砂混凝土抗压强度的影响见图11。掺加标准型聚羧酸减水剂、保坍型聚羧酸减水剂、脂肪族减水剂和萘系减水剂的混凝土，28 d抗压强度相比河砂混凝土增大了6.0%、1.7%、3.5%、3.9%。标准型聚羧酸减水剂制备的机制砂混凝土抗压强度最高，可能是减水剂分子被吸附量大，减水作用被显著削弱，混凝土中自由水较少，致使混凝土抗压强度相对较大。