機(jī)制砂含泥量對混凝土氣泡參數(shù)的影響研究

方小利，李煒，王安書，莊智杰，鄧林

（1.云南眾恒集團(tuán) 云南恒達(dá)混凝土有限公司，云南 昆明 650032；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211108）

0 前言

砂作為重要的混凝土組成材料，通常定義為集料中粒徑為0.16～5mm的顆粒，其品質(zhì)的優(yōu)劣會直接影響混凝土的性能。所含有的泥成分一般指從砂中沖洗出來，顆粒粒徑在0.16 mm以下的塵屑、黏土和淤泥。伴隨天然砂的短缺，品質(zhì)優(yōu)良且顆粒級配良好的砂越來越少，泥在混凝土中的含量高低將會以不同的形式起到不同的作用，從而使混凝土的收縮、抗?jié)B、強(qiáng)度等性能受到不利影響。如果機(jī)制砂含泥量過大，混凝土用水量增大，保塑性變差，收縮加大，混凝土強(qiáng)度必然下降[1]。

黏土是砂石表面吸附的主要泥成分，黏土中層狀硅酸鹽礦物對聚羧酸減水劑分子具有吸附能力，且吸附能力遠(yuǎn)大于水泥，部分聚羧酸減水劑分子被吸附進(jìn)黏土層狀結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致聚羧酸減水劑的減水率不足，影響新拌混凝土的工作性能，且影響混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展和耐久性能[2]。目前，關(guān)于該方面的研究主要集中在泥土對水泥凈漿流動性及混凝土工作性能、強(qiáng)度方面的影響，泥土對混凝土氣泡結(jié)構(gòu)影響方面的研究較少，由于混凝土氣泡參數(shù)是影響混凝土工作性及外觀形貌的一項(xiàng)重要指標(biāo)，良好的氣泡參數(shù)是合理氣泡體系建立的必要條件。故開展砂中含泥量對混凝土氣泡參數(shù)的影響研究具有重要的實(shí)際意義。為了更好地將聚羧酸減水劑應(yīng)用于商品混凝土，保證混凝土的各項(xiàng)性能，本文以摻入聚羧酸減水劑的混凝土為對象，通過控制機(jī)制砂中的含泥量，研究機(jī)制砂含泥量對商品混凝土含氣量、經(jīng)時含氣量損失率、氣泡間距系數(shù)及硬化外觀氣孔分布等氣泡參數(shù)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：曲靖雄業(yè)水泥廠，P·O42.5水泥，密度3.07 g/cm3，比表面積376 m2/kg，物理力學(xué)性能見表1；粉煤灰：云南清榮，Ⅱ級，比表面積397 m2/kg；礦粉：昆鋼嘉華，S75級，比表面積446 m2/kg；砂：恒瑞建材有限公司產(chǎn)，1#和2#機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)分別為2.9、3.1；石：恒瑞建材有限公司產(chǎn)，5～25 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石；外加劑：減水率28%的聚羧酸高性能減水劑及離子復(fù)合型消泡劑與引氣劑，符合GB 8076—2008《混凝土外加劑》的要求，將消泡劑與引氣劑均按0.1%的比例摻入減水劑復(fù)配使用，外加劑均由江蘇蘇博特新材料股份有限公司提供。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

1.2 配合比

機(jī)制砂含泥量控制：將含泥量較高的1#機(jī)制砂過0.15mm篩，得到一定量的泥粉（為黏土礦物中的蒙脫土），通過人工調(diào)配2#機(jī)制砂與泥粉的比例，得到泥粉含量分別為0、2%、4%、6%、8%、10%的6種機(jī)制砂，對應(yīng)MB值分別為1.25、1.70、2.00、2.75、3.00、3.25g/kg。根據(jù)試配情況調(diào)整外加劑摻量，控制混凝土初始坍落度為（200±20）mm，C30混凝土配合比見表2。

表2 C30混凝土的配合比

1.3 試驗(yàn)方法

（1）含氣量及經(jīng)時損失：按GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，儀器為日本三洋直讀氣壓式含氣量儀。以混凝土靜置1 h含氣量損失率作為表征混凝土含氣量穩(wěn)定性的參數(shù)，具體計(jì)算如式（1）所示：

式中：Q——混凝土靜置1 h含氣量損失率，%；

A0——混凝土的初始含氣量，%；

A1——混凝土靜置1 h后的含氣量，%。

（2）硬化混凝土氣泡參數(shù)采用混凝土氣泡參數(shù)分析系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)。將標(biāo)養(yǎng)28 d的試塊切割成厚度為2 cm的薄片，經(jīng)打磨、拋光、噴熒光粉、干燥清潔后放入試驗(yàn)機(jī)測試，測試區(qū)域?yàn)?0 mm×60 mm，氣泡圓形度取0.45，閾值取30。設(shè)置完成后，由系統(tǒng)軟件自動采集數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。

（3）硬化外觀氣孔分布：采用高清照相機(jī)單位面積穩(wěn)定拍攝方法，然后通過軟件分析單位面積內(nèi)總氣孔數(shù)量及平均孔徑（只統(tǒng)計(jì)孔徑≥0.5 mm的氣孔），作為表征混凝土硬化外觀氣孔分布的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)制砂含泥量對混凝土含氣量的影響（見表3）

表3 機(jī)制砂含泥量對混凝土含氣量及經(jīng)時損失的影響

由表3可以看出，機(jī)制砂含泥量越高，達(dá)到相同坍落度所需要的外加劑摻量越多。這是因?yàn)樵摍C(jī)制砂泥粉中含泥的種類為黏土礦物中的蒙脫土，其在混凝土中屬于惰性材料，不會與水泥漿體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；其次由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，層間吸水率高，且吸水膨脹后層間距進(jìn)一步加大導(dǎo)致需水量的急劇增大，其疏松的結(jié)構(gòu)在吸水后會在混凝土中形成強(qiáng)度薄弱區(qū)，影響水泥漿體與骨料的膠結(jié)作用，妨礙水泥的正常水化，同時泥粉顆粒對減水劑的吸附性遠(yuǎn)大于水泥顆粒，導(dǎo)致減水劑在競爭吸附過程中難以有效吸附于水泥顆粒上，最終導(dǎo)致減水性能難以充分發(fā)揮[3]。隨著外加劑摻量的增加，初始含氣量呈先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)橐龤鈩┮砸欢ǖ谋壤龘饺霚p水劑中，隨著外加劑摻量的增加，引氣劑的總量也隨之增加，對混凝土的引氣作用也相應(yīng)提升，故含氣量增大。但當(dāng)外加劑摻量增到一定程度，隨著外加劑摻量的進(jìn)一步增加，含氣量反而會呈現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)橥饧觿搅康脑黾邮怯捎诤嗔吭黾樱?dāng)含泥量大于6%時，泥粉對于減水劑的吸附作用大幅提升，尤其是對于引氣劑的吸附作用加強(qiáng)，造成引氣作用減弱，同時過量泥粉產(chǎn)生的膠結(jié)作用造成混凝土內(nèi)部自由水量急劇減少，造成混凝土形成類似于低水膠比下的低塑性狀態(tài)，使得氣泡的形成更加困難，故此時含氣量反而減小。

2.2 機(jī)制砂含泥量對混凝土含氣量穩(wěn)定性的影響

由表3可以看出，隨機(jī)制砂含泥量的增加，混凝土1 h含氣量損失率呈先增大后減小的趨勢。這是因?yàn)殡S著含泥量的增加，引氣劑隨著外加劑摻量的增加而增加，當(dāng)含泥量小于6%時，引氣劑受泥粉的吸附作用較小，含氣量仍隨引氣劑摻量的增加而增大，經(jīng)時1 h后，水泥漿體中的超量小氣泡在顆粒沉降作用下受到擾動，逐漸聚結(jié)成大氣泡并受上浮力影響溢出漿體，含氣量越大，小氣泡越容易匯聚成大氣泡溢出，含氣量損失率也越大[4-5]。含氣量經(jīng)時損失后最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而穩(wěn)定狀態(tài)下的含氣量差異要明顯弱于初始狀態(tài)下，故當(dāng)含泥量小于6%時，含氣量損失率也隨含泥量的增加而增大；當(dāng)含泥量大于6%時，隨著含泥量的增加，泥粉對于引氣劑的吸附作用要大于引氣劑增量對含氣量所產(chǎn)生的影響，泥粉越多造成吸附作用越強(qiáng)，引氣劑的有效引氣作用越小，故初始含氣量也隨之減小，初始較小的含氣量對穩(wěn)泡有利，而經(jīng)過1h的靜置后，由于泥粉吸水膨脹后對混凝土造成的稠化效應(yīng)較初始增強(qiáng)，氣泡在稠度更大的水泥漿體中因?yàn)檩^大的運(yùn)動粘滯阻力而不容易運(yùn)動聚結(jié)逃逸，故存在更加穩(wěn)定，混凝土含氣量損失率反而減小。

2.3 機(jī)制砂含泥量對混凝土氣泡間距系數(shù)的影響

氣泡間距系數(shù)是指漿體中任意一點(diǎn)至孔隙的平均距離。在一定含氣量時，氣泡尺寸越小，間距系數(shù)越小。研究表明[6]，氣泡間距系數(shù)較小的氣泡結(jié)構(gòu)對混凝土強(qiáng)度的影響較小，且有利于混凝土的耐久性。機(jī)制砂含泥量對混凝土氣泡間距系數(shù)的影響見表4。

表4 機(jī)制砂含泥量對混凝土氣泡間距系數(shù)的影響

由表4可以看出，當(dāng)機(jī)制砂含泥量小于4%時，混凝土氣泡間距系數(shù)隨著機(jī)制砂含泥量的增加而減小，因?yàn)殡S著含泥量增加，減水劑與引氣劑增量導(dǎo)致表面活性作用增強(qiáng)，導(dǎo)致含氣量增加，而含氣量增加是造成氣泡間距系數(shù)減小的重要推動力，此時增加的含泥量，同時能夠發(fā)揮增加混凝土漿體黏稠度的作用，降低了攪拌過程中卷入氣體與漿體之間的界面能，從而輔助引氣使得氣泡間距系數(shù)減小的更加顯著[7]。而隨著含泥量增加到一定量時，其對引氣的負(fù)面影響表現(xiàn)逐漸增強(qiáng)，造成含氣量隨含泥量的增加反而減小，此時機(jī)制砂中含泥量增加同時對混凝土內(nèi)部氣泡產(chǎn)生另外一種影響，即泥吸附自由水自身膨脹形成空間結(jié)構(gòu)，增加混凝土漿體的黏稠度，而更高黏稠度的漿體對液泡更高的表面張力具有較好的容忍度，這對較大尺寸氣泡的穩(wěn)定存在有利，造成相同含氣量下混凝土中可穩(wěn)定存在的氣泡尺寸增大，氣泡間距系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，因此當(dāng)機(jī)制砂含泥量大于4%時，隨著含泥量的增加混凝土的氣泡間距系數(shù)反而增大[8-9]。

2.4 機(jī)制砂含泥量對混凝土硬化外觀氣孔分布的影響

混凝土硬化外觀氣孔分布是表征混凝土外觀質(zhì)量重要的組成，但硬化氣孔分布成因復(fù)雜，包括配合比、外加劑、施工工藝等都會對氣孔分布產(chǎn)生較大影響，從混凝土性能角度考慮主要有2個影響因素：一是混凝土內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)，其在混凝土塑性失去后在緊貼模板壁位置的氣泡形成氣孔；二是漿體的流變性能，漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度直接影響其與模板界面特性[10]。機(jī)制砂含泥量對混凝土硬化外觀氣孔平均尺寸和氣孔數(shù)量的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，隨著機(jī)制砂含泥量的增加，混凝土外觀氣孔平均尺寸逐漸增大，說明含泥量增加對外觀氣泡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不利的影響。而含泥導(dǎo)致塑性黏度的增大對氣泡穩(wěn)定附著在模板界面有利，且屈服應(yīng)力的增大造成氣泡漿體薄壁穩(wěn)定性增強(qiáng)及攪拌氣泡聚結(jié)效果削弱，綜合使得混凝土內(nèi)部形成連續(xù)尺寸分布的氣泡附著于模板與漿體的交界面，進(jìn)而造成硬化外觀氣泡平均尺寸增大[11]。而因含泥量增加導(dǎo)致的漿體塑性黏度增大帶來的不僅是外觀氣孔尺寸增大，還伴隨著氣孔數(shù)量的增加，這主要因?yàn)槭艿胶瑲饪偭吭黾拥挠绊?。機(jī)制砂中含泥量增加，對混凝土不僅具有一定的輔助引氣的能力，導(dǎo)致混凝土中各尺寸氣泡數(shù)量都迅速增大，且含泥量在合適范圍內(nèi)增加時可改善混凝土的氣泡結(jié)構(gòu)；但當(dāng)含泥量增大到4%以上時，混凝土硬化外觀氣孔數(shù)量隨著含泥量的增加逐漸減少，此時除了受到泥對引氣作用降低的影響外，還受到氣泡平均尺寸持續(xù)增大的作用，即一定含氣量條件下混凝土內(nèi)部氣泡結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“化零為整”的狀態(tài)，大尺寸氣泡在所有氣泡中的占比增加，最終導(dǎo)致硬化混凝土外觀中單位面積內(nèi)氣孔數(shù)量的減少。

3 結(jié)論

（1）控制混凝土初始坍落度相同條件下，隨著機(jī)制砂含泥量的增加，混凝土的含氣量呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)含泥量小于6%時，含氣量隨著含泥量的增加而增大；當(dāng)含泥量大于6%時，含氣量隨著含泥量的增加而減小。

（2）隨機(jī)制砂含泥量的增加，混凝土的1h含氣量呈先快速增大后緩慢減小趨勢，含氣量損失率呈先增大后減小的趨勢。

（3）當(dāng)機(jī)制砂含泥量小于4%時，混凝土氣泡間距系數(shù)隨著機(jī)制砂含泥量的增加而減??；當(dāng)機(jī)制砂含泥量大于4%時，隨著含泥量的增加混凝土的氣泡間距系數(shù)反而增大。

（4）機(jī)制砂含泥量增加會造成混凝土硬化外觀氣孔平均尺寸增大，這對混凝土外觀質(zhì)量控制產(chǎn)生不利影響；當(dāng)含泥量小于4%時，混凝土硬化外觀氣孔數(shù)量隨著含泥量的增加而增多，當(dāng)含泥量大于4%時，混凝土硬化外觀氣孔數(shù)量隨著含泥量的增加而逐漸減少。