膠凝砂礫石含泥量對(duì)其強(qiáng)度的影響

郭磊　王佳　郭利霞　趙天明　管子　申偉平

摘 要：膠凝砂礫石骨料多為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖料，含泥量較普通混凝土高得多，對(duì)混凝土的工作性能有較大的不利影響。為了給工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，進(jìn)行了水膠比為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4的情況下含泥量為0%～50%的膠砂試塊強(qiáng)度試驗(yàn)和SEM電鏡掃描，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和微觀SEM圖像分析，研究了含泥量對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：泥在膠砂試塊內(nèi)部影響膠凝材料的水化反應(yīng)，導(dǎo)致試塊整體結(jié)構(gòu)性變差、密實(shí)度和強(qiáng)度降低;隨著含泥量的增加，膠砂試塊強(qiáng)度降低，當(dāng)含泥量在10%以下、水膠比為1.0左右時(shí)對(duì)膠砂試塊強(qiáng)度影響最小，即含泥量小于10%時(shí)才能保證試塊強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：混凝土;膠凝砂礫石;含泥量; SEM電鏡掃描;抗壓強(qiáng)度;抗折強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： TV432?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.027

Effect of Mud Content in Cemented Sand Gravel Based on Its Strength

GUO Lei1，2，3， WANG Jia1，2，3， GUO Lixia1，2，3， ZHAO Tianming1，2，3， GUAN Zi1，2，3， SHEN Weiping1，2，3

（1.College of Water Resources， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China;

2.Water Environment Governance and Ecological Restoration Academician Workstation of Henan Province， Zhengzhou 450002， China;

3.Henan Key Laboratory of Water Environment Simulation and Treatment， Zhengzhou 450002， China）

Abstract：The cementitious sand gravel aggregate is mostly excavated on site， and the mud content is much higher than that of ordinary concrete， which has a large adverse effect on the workability of the concrete. In order to provide a reference for the engineering design， a water-binder ratio of 1.0 ， 1.1， 1.2， 1.3， and 1.4 was carried out， the strength test and SEM Scanning electron microscope of the rubber sand test block with a mud content of 0% to 50% were studied by analyzing the test data and microscopic SEM image analysis and the effect of the strength of content sand gravel was studied. The results show that mud affects the hydration reaction of the cementitious material inside the rubber sand test block， which leads to the deterioration of the overall structure of the test block， the decrease in compactness and strength; as the mud content increases， the strength of the rubber test block decreases. When the mud content is below 10% and the water-binder ratio is about 1.0， the effect on the strength of the rubber sand test block is the smallest， that is， the strength of the test block can be guaranteed when the mud content is less than 10%.

Key words： cement; cemented sand gravel; mud content; scanning electron microscope; compressive strength; flexural strength.

隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的提高，綠色環(huán)?；炷良夹g(shù)得到不斷發(fā)展[1]。膠凝砂礫石是一種新型筑壩材料，具有經(jīng)濟(jì)、安全、低碳環(huán)保、施工便利等優(yōu)點(diǎn)[2]。膠凝砂礫石骨料多為現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖料，含泥量（天然砂中粒徑小于0.02 mm 且數(shù)量高于50%的顆粒含量為含泥量[3]）較普通混凝土高得多。含泥量對(duì)混凝土的工作性能有較大的不利影響，總體上強(qiáng)度隨含泥量的提高而降低，含泥量過(guò)大會(huì)對(duì)材料特性產(chǎn)生不利影響。為了給工程設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，筆者通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和微觀SEM圖像分析，研究了含泥量對(duì)膠凝砂礫石強(qiáng)度的影響。

1 膠凝砂礫石制備工藝

混凝土的傳統(tǒng)拌制工藝水化機(jī)理見(jiàn)圖1（a）。雖然傳統(tǒng)拌制法投料簡(jiǎn)單、攪拌時(shí)間短，但是骨料和水直接接觸，在表層生成一層自由水薄膜，形成水灰比較高的過(guò)渡區(qū)，從而使自由水薄膜層和過(guò)渡區(qū)變厚，一定程度削弱了水泥漿和骨料間的咬合作用。因此，混凝土破壞形式多為結(jié)合面產(chǎn)生裂縫，直至完全破壞。水泥顆粒與骨料之間存在咬合作用，宏觀上有10%～30%的水泥顆粒沒(méi)有發(fā)生充分的水化反應(yīng)而影響混凝土強(qiáng)度等。目前，提倡綠色環(huán)保文明施工，傳統(tǒng)混凝土拌制是把水泥、骨料、砂、粉煤灰等一次性投入攪拌罐，會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，污染空氣，對(duì)環(huán)境造成不利影響。而預(yù)拌濃漿法先將水和膠凝材料混合，再和骨料混合拌制，提高了材料拌和的均勻性，提高了混凝土性能，其水化機(jī)理見(jiàn)圖1（b）。相對(duì)于普通混凝土，膠凝砂礫石水泥用量較少，膠凝材料如果拌和不均勻、骨料之間的界面性能差，就會(huì)影響整體性能，采用預(yù)拌濃漿制備工藝可提高界面性能，進(jìn)而提高膠凝砂礫石宏觀性能[4]。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 原材料和設(shè)備

根據(jù)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《行星式水泥膠砂攪拌機(jī)》（JC/T 681—2005）的技術(shù)要求，攪拌機(jī)攪拌葉公轉(zhuǎn)慢速為（62±5）r/min、公轉(zhuǎn)快速為（125±10）r/min、自轉(zhuǎn)慢速為（140±5）r/min、自轉(zhuǎn)快速為（285±10）r/min，攪拌鍋尺寸（內(nèi)徑×深度）為160 mm×139 mm;振實(shí)臺(tái)符合建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂試體成型振實(shí)臺(tái)》（JC/T 682—2005）的要求;抗折試驗(yàn)機(jī)符合建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)》（JC/T 724—2005）的要求;壓力試驗(yàn)機(jī)采用TYE-3000型水泥膠砂抗壓試驗(yàn)機(jī);水泥為天瑞P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1;粉煤灰為一級(jí)粉煤灰。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[5]制備試件，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，每一組成型試件制作3塊，分別進(jìn)行28、90、180 d齡期的強(qiáng)度試驗(yàn)。配合比根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）[6]進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)表2（其中含泥量為占用砂量的百分比）。

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999），試驗(yàn)結(jié)果以每組3個(gè)試塊測(cè)定值的算術(shù)平均值為準(zhǔn)，若有超過(guò)算術(shù)平均值±10%的測(cè)定值則剔除此測(cè)定值，若剩余2個(gè)測(cè)定值中仍有超過(guò)算術(shù)平均值±10%的情況則此組試驗(yàn)結(jié)果作廢。

隨機(jī)取樣進(jìn)行SEM電鏡試驗(yàn)，樣本來(lái)自抗壓試驗(yàn)破壞以后較為完整的碎塊。試塊尺寸小于10 mm，形狀較規(guī)則，所觀測(cè)的表面較平整，試驗(yàn)前噴金處理，噴涂厚度200～300 A。掃描電鏡型號(hào)為JSM-6510LV。

3 結(jié)果分析

3.1 含泥量對(duì)強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表8。由表3～表5可知：膠砂的抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而遞減;不同水膠比、不同齡期膠砂抗壓強(qiáng)度均隨含泥量增大而降低，比如含泥量為50%的試件與不含泥（含泥量為0%）試件相比，水膠比為1.0時(shí)28、90、180 d抗壓強(qiáng)度分別下降了42.33%、18.08%、32.05%，水膠比為1.4時(shí)28、90、180 d抗壓強(qiáng)度分別下降了9.23%、15.32%、25.2%。

由表6～表8可知：隨著水膠比的增大，膠砂抗折強(qiáng)度遞減;不同水膠比、不同齡期膠砂抗折強(qiáng)度均隨含泥量增大而降低，含泥量為50%的試樣與不含泥（含泥量為0%）試件相比，水膠比為1.0時(shí)28、90、180 d抗折強(qiáng)度分別下降了55.35%、26.00%、20.00%，水膠比為1.4時(shí)28、90、180 d抗折強(qiáng)度分別下降了42.86%、22.76%、42.09%。

膠砂強(qiáng)度與含泥量負(fù)相關(guān)，即膠砂試件的強(qiáng)度隨含泥量的提高而降低，主要原因是泥的比表面積較大，吸附較多水泥漿，砂表層水泥漿減少，同時(shí)若部分泥土微粒包裹著砂粒，形成沒(méi)有強(qiáng)度的薄膜層，在一定程度上使細(xì)骨料與水泥之間的黏結(jié)力降低，從而影響膠砂強(qiáng)度[7-8]。

為了確定合理的含泥量，進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)。顯著性檢驗(yàn)就是事先對(duì)總體（隨機(jī)變量）的參數(shù)或總體分布形式作出假設(shè)，然后利用樣本信息來(lái)判斷這個(gè)假設(shè)（備擇假設(shè)）是否合理，即判斷真實(shí)情況與原假設(shè)是否有顯著性差異[9]。因含泥量與膠凝砂礫石強(qiáng)度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，故顯著性檢驗(yàn)結(jié)果越顯著，膠凝砂礫石材料性能越差。顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水膠比的增大，含泥量為10%的試件的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為無(wú)差異性，對(duì)抗折強(qiáng)度的影響越來(lái)越大，顯著性越來(lái)越明顯;在含泥量增大時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度顯著性變化明顯，當(dāng)含泥量超出10%時(shí)對(duì)膠凝砂礫石材料的不利影響較大，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如骨料沖洗。因此，含泥量應(yīng)控制在10%以內(nèi)，此時(shí)含泥量對(duì)試件強(qiáng)度的影響可以降到相對(duì)較低的程度。

3.2 SEM電鏡掃描結(jié)果

為了對(duì)比不同水膠比情況下含泥與不含泥的試塊微觀結(jié)構(gòu)的區(qū)別，對(duì)水膠比為1.0和1.4的兩組試件進(jìn)行分析，分別取參照組AP0、EP0和含泥量30%組AP3、EP3進(jìn)行電鏡掃描分析，對(duì)試件進(jìn)行放大1 000倍、3 000倍、5 000倍的SEM電鏡掃描微觀形貌，見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，AP3和EP3兩組試塊結(jié)構(gòu)比較松散，存在粉體、孔洞和塊狀體，說(shuō)明泥粉在試塊內(nèi)阻礙了膠凝材料的水化反應(yīng)，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)性較差、強(qiáng)度較低。觀察孔洞處SEM圖像發(fā)現(xiàn)：針棒狀纖維狀物質(zhì)為AFt（3CaO·Al2O3·3CaSO4·（30～32）H2O高硫型水化硫鋁酸鈣，簡(jiǎn)稱鈣礬石）;在孔洞內(nèi)壁生成大量針狀鈣礬石，說(shuō)明水化反應(yīng)充分。研究表明，鈣礬石的形貌受混凝土水灰比的影響，生成量隨著水灰比的加大而增多。總體來(lái)看，隨著AFm（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O 低硫型水化硫酸鋁鈣晶體）的生成量增加，水化反應(yīng)越來(lái)越充分，水泥漿體中主要物質(zhì)為SiO2、C-S-H（xCaO·ySiO2·nH2O）水化硅酸鹽鈣）凝膠、F鹽，原有CH（Ca（OH）2羥鈣石） 和AFm被消耗，原有的片層狀密實(shí)度較低的棒狀、團(tuán)簇狀交疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，密實(shí)度AP0>AP3、EP0>EP3，充分證明了含泥量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[10-12]。

4 結(jié) 論

泥在膠砂試塊內(nèi)部影響膠凝材料的水化反應(yīng)，導(dǎo)致試塊整體結(jié)構(gòu)性變差、密實(shí)度和強(qiáng)度降低;隨著含泥量的增加，膠砂試塊強(qiáng)度降低，當(dāng)含泥量在10%以下、水膠比為1.0左右時(shí)對(duì)膠砂試塊強(qiáng)度影響最小，即含泥量小于10%時(shí)才能保證試塊強(qiáng)度。

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【責(zé)任編輯 張智民】

收稿日期：2019-08-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFC0406803）

作者簡(jiǎn)介：郭磊（1980—），男，河南信陽(yáng)人，副教授，博士，研究方向?yàn)樗そㄖ牧?/p>

通信作者：郭利霞（1982—），女，河南開(kāi)封人，副教授，博士，研究方向?yàn)樗せ炷聊途眯阅芗皽乜胤懒?/p>

E-mail：280667919@qq.com