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場開挖料，含泥量較普通混凝土高得多，對混凝土的工作性能有較大的不利影響。為了給工程設計提供參考依據，進行了水膠比為1.0、1.1、1.2、1.3、1.4的情況下含泥量為0%～50%的膠砂試塊強度試驗和SEM電鏡掃描，通過試驗數據分析和微觀SEM圖像分析，研究了含泥量對膠凝砂礫石強度的影響。結果表明：泥在膠砂試塊內部影響膠凝材料的水化反應，導致試塊整體結構性變差、密實度和強度降低;隨著含泥量的增加，膠砂試塊強度降低，當含泥量在10%以下、水膠比為1.0左右時對膠砂試塊強度影響最小，即含泥量小于10%時才能保證試塊強度。

關鍵詞：混凝土;膠凝砂礫石;含泥量; SEM電鏡掃描;抗壓強度;抗折強度

中圖分類號： TV432?? 文獻標志碼：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.

隨著對環(huán)境保護要求的提高，綠色環(huán)?；炷良夹g得到不斷發(fā)展[1]。膠凝砂礫石是一種新型筑壩材料，具有經濟、安全、低碳環(huán)保、施工便利等優(yōu)點[2]。膠凝砂礫石骨料多為現場開挖料，含泥量（天然砂中粒徑小于0.02 mm 且數量高于50%的顆粒含量為含泥量[3]）較普通混凝土高得多。含泥量對混凝土的工作性能有較大的不利影響，總體上強度隨含泥量的提高而降低，含泥量過大會對材料特性產生不利影響。為了給工程設計提供參考依據，筆者通過試驗數據分析和微觀SEM圖像分析，研究了含泥量對膠凝砂礫石強度的影響。

1 膠凝砂礫石制備工藝

混凝土的傳統(tǒng)拌制工藝水化機理見圖1（a）。雖然傳統(tǒng)拌制法投料簡單、攪拌時間短，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渡區(qū)，從而使自由水薄膜層和過渡區(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合面產生裂縫，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%的水泥顆粒沒有發(fā)生充分的水化反應而影響混凝土強度等。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，會產生大量的粉塵，污染空氣，對環(huán)境造成不利影響。而預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，其水化機理見圖1（b）。相對于普通混凝土，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，就會影響整體性能，采用預拌濃漿制備工藝可提高界面性能，進而提高膠凝砂礫石宏觀性能[4]。

2 試驗材料和方法

2.1 原材料和設備

根據建材行業(yè)標準《行星式水泥膠砂攪拌機》（JC/T 681—2005）的技術要求，攪拌機攪拌葉公轉慢速為（62±5）r/min、公轉快速為（125±10）r/min、自轉慢速為（140±5）r/min、自轉快速為（285±10）r/min，攪拌鍋尺寸（內徑×深度）為160 mm×139 mm;振實臺符合建材行業(yè)標準《水泥膠砂試體成型振實臺》（JC/T 682—2005）的要求;抗折試驗機符合建材行業(yè)標準《水泥膠砂電動抗折試驗機》（JC/T 724—2005）的要求;壓力試驗機采用TYE-3000型水泥膠砂抗壓試驗機;水泥為天瑞P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理力學性能指標見表1;粉煤灰為一級粉煤灰。

2.2 試驗方案

根據《水泥膠砂強度檢驗方法（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，分別進行28、90、180 d齡期的強度試驗。配合比根據《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011）[6]進行設計，見表2（其中含泥量為占用砂量的百分比）。

參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999），試驗結果以每組3個試塊測定值的算術平均值為準，若有超過算術平均值±10%的測定值則剔除此測定值，若剩余2個測定值中仍有超過算術平均值±10%的情況則此組試驗結果作廢。

隨機取樣進行SEM電鏡試驗，樣本來自抗壓試驗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，所觀測的表面較平整，試驗前噴金處理，噴涂厚度200～300 A。掃描電鏡型號為JSM-6510LV。

3 結果分析

3.1 含泥量對強度的影響

試驗結果見表3～表8。由表3～表5可知：膠砂的抗壓強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28、90、180 d抗壓強度分別下降了42.33%、18.08%、32.05%，水膠比為1.4時28、90、180 d抗壓強度分別下降了9.23%、15.32%、25.2%。

由表6～表8可知：隨著水膠比的增大，膠砂抗折強度遞減;不同水膠比、不同齡期膠砂抗折強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28、90、180 d抗折強度分別下降了55.35%、26.00%、20.00%，水膠比為1.4時28、90、180 d抗折強度分別下降了42.86%、22.76%、42.09%。

膠砂強度與含泥量負相關，即膠砂試件的強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，同時若部分泥土微粒包裹著砂粒，形成沒有強度的薄膜層，在一定程度上使細骨料與水泥之間的黏結力降低，從而影響膠砂強度[7-8]。

為了確定合理的含泥量，進行了顯著性檢驗。顯著性檢驗就是事先對總體（隨機變量）的參數或總體分布形式作出假設，然后利用樣本信息來判斷這個假設（備擇假設）是否合理，即判斷真實情況與原假設是否有顯著性差異[9]。因含泥量與膠凝砂礫石強度之間呈負相關關系，故顯著性檢驗結果越顯著，膠凝砂礫石材料性能越差。顯著性檢驗結果表明，隨著水膠比的增大，含泥量為10%的試件的抗壓強度表現為無差異性，對抗折強度的影響越來越大，顯著性越來越明顯;在含泥量增大時，抗壓強度和抗折強度顯著性變化明顯，當含泥量超出10%時對膠凝砂礫石材料的不利影響較大，應采取相應的措施，如骨料沖洗。因此，含泥量應控制在10%以內，此時含泥量對試件強度的影響可以降到相對較低的程度。

3.2 SEM電鏡掃描結果

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

由圖2可以看出，AP3和EP3兩組試塊結構比較松散，存在粉體、孔洞和塊狀體，說明泥粉在試塊內阻礙了膠凝材料的水化反應，導致整體結構性較差、強度較低。觀察孔洞處SEM圖像發(fā)現：針棒狀纖維狀物質為AFt（3CaO·Al2O3·3CaSO4·（30～32）H2O高硫型水化硫鋁酸鈣，簡稱鈣礬石）;在孔洞內壁生成大量針狀鈣礬石，說明水化反應充分。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?？傮w來看，隨著AFm（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O 低硫型水化硫酸鋁鈣晶體）的生成量增加，水化反應越來越充分，水泥漿體中主要物質為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，原有的片層狀密實度較低的棒狀、團簇狀交疊結構轉變，密實度AP0>AP3、EP0>EP3，充分證明了含泥量對結構的影響[10-12]。

4 結 論

泥在膠砂試塊內部影響膠凝材料的水化反應，導致試塊整體結構性變差、密實度和強度降低;隨著含泥量的增加，膠砂試塊強度降低，當含泥量在10%以下、水膠比為1.0左右時對膠砂試塊強度影響最小，即含泥量小于10%時才能保證試塊強度。

參考文獻：

[1] 張恒春，季錫賢，唐方宇，等.凝灰?guī)r石粉作為混凝土摻和料可行性試驗研究[J].施工技術，2017，46（增刊1）：282-285.

[2] 馮煒，賈金生，馬鋒玲.膠凝砂礫石壩壩體和保護層材料的耐久性能研究[C]//第八屆全國混凝土耐久性學術交流會論文集.北京：中國土木工程學會，2012：161-167.

[3] 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.建設用砂：GB/T 14684—2011[S].北京：中國標準出版社，2011：1-28.

[4] 郭磊，薛志龍，陳守開，等.基于預拌濃漿法的再生骨料混凝土性能試驗研究[J].建筑材料學報，2017，20（6）：950-955.

[5] 國家質量技術監(jiān)督局. 水泥膠砂強度檢驗方法：GB/T 17671—1999 [S].北京：中國標準出版社，1999：1-2.

[6] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部. 普通混凝土配合比設計規(guī)程：JG J55—2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：1-30.

[7] 楊建軍，殷素紅，王恒昌，等.細集料品質對C80 高性能混凝土性能的影響[J].混凝土，2008（11）：58-61.

[8] 吳永根，韓照，李建豐，等.含泥量對干硬性水泥膠砂性能的影響[J].混凝土，2012（9）：112-114.

[9] 張鳳菊，劉曉娟，趙麗平，等.數據差異顯著性檢驗[J].農機使用與維修，2012（4）：51-52.

[10] 龐寶君，王立聞，何丹薇，等.活性粉末混凝土高溫后的掃描電鏡試驗研究[J].混凝土，2010（12）：27-30.

[11] 謝財奇，吳宇清.基于數字圖像內核的再生混凝土氯離子擴散分析[J].華北水利水電大學學報（自然科學版），2016，37（2）：62-66.

[12] 袁潤章.膠凝材料學[M].武漢：武漢理工大學出版社，1996：60-143.

【責任編輯 張智民】

收稿日期：2019-08-19

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFC0406803）

作者簡介：郭磊（1980—），男，河南信陽人，副教授，博士，研究方向為水工建筑材料

通信作者：郭利霞（1982—），女，河南開封人，副教授，博士，研究方向為水工混凝土耐久性能及溫控防裂

E-mail：280667919@qq.com