方小利，李煒，王安書(shū)，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(huì)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(lái)，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(jí)配良好的砂越來(lái)越少，泥在混凝土中的含量高低將會(huì)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(guò)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(duì)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(duì)水泥凈漿流動(dòng)性及混凝土工作性能、強(qiáng)度方面的影響，泥土對(duì)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(kāi)展砂中含泥量對(duì)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(duì)象，通過(guò)控制機(jī)制砂中的含泥量，研究機(jī)制砂含泥量對(duì)商品混凝土含氣量、經(jīng)時(shí)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(jiàn)表1；粉煤灰：云南清榮，Ⅱ級(jí)，比表面積397 m2/kg；礦粉：昆鋼嘉華，S75級(jí)，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(jí)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(guò)0.15mm篩，得到一定量的泥粉（為黏土礦物中的蒙脫土），通過(guò)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(duì)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(jiàn)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(shí)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(cè)試，儀器為日本三洋直讀氣壓式含氣量?jī)x。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(dòng)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(cè)試，測(cè)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(dòng)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(guò)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(duì)混凝土含氣量的影響（見(jiàn)表3）

表3 機(jī)制砂含泥量對(duì)混凝土含氣量及經(jīng)時(shí)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(huì)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(huì)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(shí)泥粉顆粒對(duì)減水劑的吸附性遠(yuǎn)大于水泥顆粒，導(dǎo)致減水劑在競(jìng)爭(zhēng)吸附過(guò)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(shì)。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(duì)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(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是因?yàn)橥饧觿搅康脑黾邮怯捎诤嗔吭黾?，?dāng)含泥量大于6%時(shí)，泥粉對(duì)于減水劑的吸附作用大幅提升，尤其是對(duì)于引氣劑的吸附作用加強(qiáng)，造成引氣作用減弱，同時(shí)過(guò)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(shí)含氣量反而減小。

2.2 機(jī)制砂含泥量對(duì)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(shì)。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(shí)，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(shí)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(dòng)，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(shí)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(shí)，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(shí)，隨著含泥量的增加，泥粉對(duì)于引氣劑的吸附作用要大于引氣劑增量對(duì)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(duì)穩(wěn)泡有利，而經(jīng)過(guò)1h的靜置后，由于泥粉吸水膨脹后對(duì)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(dòng)粘滯阻力而不容易運(yùn)動(dòng)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)混凝土氣泡間距系數(shù)的影響見(jiàn)表4。

表4 機(jī)制砂含泥量對(duì)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(shí)，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(dòng)力，此時(shí)增加的含泥量，同時(shí)能夠發(fā)揮增加混凝土漿體黏稠度的作用，降低了攪拌過(guò)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(shí)，其對(duì)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(shí)機(jī)制砂中含泥量增加同時(shí)對(duì)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(duì)液泡更高的表面張力具有較好的容忍度，這對(duì)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(shì)，因此當(dāng)機(jī)制砂含泥量大于4%時(shí)，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(duì)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(huì)對(duì)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(gè)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(duì)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(shuō)明含泥量增加對(duì)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(duì)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(lái)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憽C(jī)制砂中含泥量增加，對(duì)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(shí)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(shí)，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(shí)除了受到泥對(duì)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(shì)。當(dāng)含泥量小于6%時(shí)，含氣量隨著含泥量的增加而增大；當(dāng)含泥量大于6%時(shí)，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(shì)，含氣量損失率呈先增大后減小的趨勢(shì)。

（3）當(dāng)機(jī)制砂含泥量小于4%時(shí)，混凝土氣泡間距系數(shù)隨著機(jī)制砂含泥量的增加而減?。划?dāng)機(jī)制砂含泥量大于4%時(shí)，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(huì)造成混凝土硬化外觀氣孔平均尺寸增大，這對(duì)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(shí)，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(shí)，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。