河砂表面形貌對混凝土流動性的影響分析

單繼雄，舒云艷，梁忠春，楊琪鑫

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430012）

河砂表面形貌對混凝土流動性的影響分析

單繼雄，舒云艷，梁忠春，楊琪鑫

（中交二航局第五工程分公司，湖北 武漢 430012）

本文通過對河砂基本參數(shù)進行檢測，結(jié)合成分分析及表面形貌觀察，分析了一起特殊的、由河砂質(zhì)量波動引起的混凝土出機流動困難且迅速失去流動性的案例。試驗結(jié)果顯示，導(dǎo)致混凝土流動困難的河砂細度、含泥量、飽和面干吸水率均符合規(guī)范要求，河砂中的泥成分對減水劑分散性亦無明顯影響。而在電鏡觀察下顯示河砂表面存在大量碎屑與孔洞，此應(yīng)為河砂需水量大，進而導(dǎo)致混凝土流動困難主要原因。

河砂；表面形貌；混凝土流動性

1 序言

在工程施工過程中，澆筑的混凝土除應(yīng)符合強度要求外，工作性也尤為重要。現(xiàn)階段我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程量巨大，原材料出現(xiàn)質(zhì)量波動難以避免，尤其是砂的細度模數(shù)、級配、含泥量等均對混凝土流動性有顯著影響。河砂級配差時，空隙率增大，導(dǎo)致水泥漿不能很好填充河砂的孔隙，使流動性下降；砂中所含泥可以吸附混凝土減水劑，加快混凝土拌合物的坍落度損失；河砂的飽和面干吸水率大，會吸附拌合物中的自由水，導(dǎo)致混凝土的工作性下降[1]。因此在河砂品質(zhì)發(fā)生變化時，對于混凝土的工作性狀態(tài)需要關(guān)注。

2 混凝土工作性描述與初步分析

在生產(chǎn)過程中按設(shè)計配合比進行混凝土配制時，測試混凝土的出機坍落度僅為 150mm，低于設(shè)計要求的200～210mm。出機后 20min 混凝土迅速變干、變硬，混凝土強度等級高時此現(xiàn)象更為顯著，且增加減水劑摻量后流動性沒有明顯改善，只能通過增加用水量來調(diào)節(jié)流動性，但會影響混凝土的強度。更換河砂后，混凝土工作性滿足設(shè)計要求。

出現(xiàn)上述問題常見的原因有：水泥及礦物摻合料與減水劑的適應(yīng)性差，環(huán)境溫度高、濕度小，集料的品質(zhì)差等。更換河砂后混凝土工作狀態(tài)良好，排除了水泥及粉煤灰與減水劑相容性差的可能。由于混凝土狀態(tài)異常時氣溫為 12℃，故也排除了高溫對混凝土坍落度損失的影響，所以推測混凝土流動性差由集料質(zhì)量波動所致。造成這種現(xiàn)象可能的原因有：（1）河砂級配差、細度模數(shù)小；（2）河砂含泥量高或泥中含有強吸附成分；（3）河砂飽和面干吸水率高；（4）河砂的其他性質(zhì)，如礦物成分、表面形貌等[2]。下面通過試驗對上述幾種可能進行驗證。

3 原材料與試驗方法

3.1 原材料

試驗用水泥為武漢亞東水泥廠生產(chǎn)的 P·O42.5 水泥，減水劑為中交二航港灣新材料公司生產(chǎn)的 CP-J 聚羧酸高性能減水劑，含固量 34.2%，減水率 30.2%。河砂 B（白砂，配制混凝土流動性差）、H（黃砂，配制混凝土狀態(tài)較好）取自湖南某地。試驗用原材料與現(xiàn)場施工使用原材料一致。

3.2 試驗方法

（1）對河砂 B、H 進行細度模數(shù)、含泥量、飽和面干吸水率測試。測試方法按照 JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行。

（2）為檢驗河砂中泥的成分對減水劑對水泥分散效果的影響，將烘干后的河砂 B 過 0.075mm 方孔篩，取篩底部分分別以 0.33%、1% 和 3% 的比例外摻至水泥中，進行水泥—減水劑凈漿相容性試驗[3]。試驗按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行。

為進一步確認河砂 B 中是否含有膨脹性粘土，進行亞甲基藍快速試驗，試驗方法參照 JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行。

（3）為更直接地觀察河砂的影響，使用砂漿代替混凝土作為研究對象。將河砂 B 烘干后并取河砂 H 做砂漿流動度對比試驗以研究河砂 B 對砂漿流動性的影響。試驗方法按照 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行。砂漿配合比見表 1。

表 1 水泥膠砂流動度測試

（4）對河砂 B、H 進行 XRD、XRF 與 SEM 測試，觀察兩種河砂是否存在成分與表面形貌上的差異。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 河砂性能測試

河砂 B、H 的細度模數(shù)、含泥量測試結(jié)果如表 2 所示。從表中可以看出河砂 B 細度模數(shù)為 2.8，屬于 II 區(qū)中砂，符合規(guī)范要求。所以混凝土流動困難應(yīng)不是由河砂較細導(dǎo)致的。

表 2 河砂的性能參數(shù)

河砂 B 的飽和面干吸水率為 0.8%，屬于正常值范圍，且低于河砂 H。從試驗結(jié)果來看河砂 B 吸水率大導(dǎo)致混凝土流動困難的假設(shè)不成立。河砂 B 含泥量為0.8%，符合規(guī)范要求。有文獻[4]顯示，河砂中泥含有蒙脫土成分時，含泥量在 1% 左右即可對聚羧酸減水劑產(chǎn)生明顯的吸附，顯著影響混凝土的流動性。所以河砂中泥含量對混凝土工作性的影響不能完全排除。需要繼續(xù)通過試驗進行驗證。

4.2 河砂泥成分對減水劑分散效果的影響

表 3 為水泥凈漿流動性測試結(jié)果。從表中可以看出，水泥漿體的擴展度隨泥粉摻量的增加并沒有明顯變化，且各漿體成型一小時后均未出現(xiàn)明顯的流動性損失。由此可見，該河砂中泥成分并未對減水劑產(chǎn)生明顯的吸附。河砂 B 的快速亞甲基藍試驗結(jié)果顯示為陰性，即無明顯膨脹性粘土成分存在，排除了砂中泥含有蒙脫土的可能。通過上述試驗認為混凝土流動性差不是由河砂中泥成分對減水劑吸附造成的。

表 3 水泥凈漿流動度測試

4.3 砂漿流動性測試

砂漿流動度對比試驗結(jié)果如表 4 所示。通過 B-50-0、B-55-0、H-36-1 組比較可以發(fā)現(xiàn)河砂 B 的需水量要明顯大于河砂 H。當(dāng)水膠比為 0.5 時，使用河砂 B 配制的砂漿流動度小，且迅速變干。提高水膠比至 0.55時，可以順利成型，但擴展度較小。通過 B-55-0、B-45-1、B-40-1.5 組比較發(fā)現(xiàn)，使用河砂 B 且當(dāng)水膠比降低至一定程度時，增加減水劑摻量也無法改善砂漿的流動性。通過 B-55-0、B-45-1，H-50-0、H-36-1 組比較發(fā)現(xiàn)，若以達到相同擴展度計算減水率，使用河砂 B時，減水劑的減水率 18.2%，而使用河砂 H 為 28.0%。比較出機擴展度與 1h 后擴展度發(fā)現(xiàn)，使用河砂 B 的砂漿流動性損失較為明顯。

表 4 砂漿流動度測試結(jié)果

通過對試驗結(jié)果的分析認為河砂 B 需水量大，且在制備砂漿或混凝土?xí)r，其會從拌合物中吸附大量的水分。此結(jié)論可以較好地解釋配制較高強度等級混凝土?xí)r出現(xiàn)流動性差、迅速變干，以及在此情況下加摻減水劑沒有明顯改善的原因。即由于河砂 B 吸附大量的水分導(dǎo)致混凝土各顆粒間起潤滑作用的水分減少，混凝土流動困難。隨著水泥水化的進行，使得顆粒間的水膜進一步減薄，從而出現(xiàn)明顯流動性損失。高強度等級混凝土由于水膠比較低，當(dāng)河砂吸附大量水分后，用于水泥水化和起潤滑作用的水分就顯得更為貧乏。而減水劑只能對水泥和摻合料起分散減水作用，無法釋放被河砂吸附的水分[5]。實際過程中就表現(xiàn)為即使超摻減水劑，混凝土的流動性也沒有明顯改善。

4.4 微觀測試

通過 4.1 部分試驗結(jié)果認為河砂 B 的含泥量及飽和面干吸水率均較小，但 4.3 試驗結(jié)果顯示河砂 B 實際需水量又很大。為此認為可能與河砂的礦物成分或表面形貌有關(guān)。河砂 B、H 的氧化物測試結(jié)果如表 5 所示。由表中可知，河砂 B 和河砂 H 的氧化物組成以及相應(yīng)含量均比較接近，主要成分為 SiO2。XRD 測試結(jié)果如圖1 所示。從圖中可知，河砂 B 和河砂 H 的衍射峰的位置與強度均比較接近，主要礦物成分為石英，印證了氧化物測試結(jié)果。通過上述試驗認為兩種河砂的成分無明顯差異，不是導(dǎo)致河砂 B 需水量大的主要原因。

圖 2 為掃描電鏡下河砂的表面形貌。從圖中可以看出，河砂 H 表面平坦光滑、結(jié)構(gòu)致密，而河砂 B 顆粒表面疏松多孔，存在大量細小的石屑。分析認為河砂 B的表面形貌使其具有更大的表面積，從而吸附更多的水分，導(dǎo)致混凝土拌合物中自由水減少，流動變得困難。

表 5 河砂的氧化物成分分析 wt.%

圖 1 河砂的礦物成分分析

圖 2 河砂的微觀形貌觀察

5 結(jié)論

（1）通過試驗認為導(dǎo)致混凝土流動困難及迅速變干的原因在于河砂 B 需水量大，與河砂的細度模數(shù)、含泥量及泥的成分無關(guān)。河砂 B 需水量大與其表面存在大量的碎屑與孔洞有關(guān)，而與礦物成分無關(guān)。

（2）飽和面干吸水率試驗有時并不能真實的反映河砂實際的需水量。

（3）河砂需水量大的情形相對于珊瑚砂[6]、機制砂較為罕見。使用河砂 B 配制的混凝土其特殊性表現(xiàn)在于出機流動性差，增加減水劑摻量沒有明顯改善，且混凝土迅速變干、變硬。進場時可用水泥膠砂流動度進行判別。當(dāng)沒有可替代材料時可以在水膠比不變的情況下增大膠材用量或與質(zhì)量較好的河砂摻配，或用在附屬結(jié)構(gòu)。

[1]任勇．湖底砂對混凝土質(zhì)量和經(jīng)濟效益的影響[J]．中小企業(yè)管理與科技，2015(12): 253-254．

[2]李崇智，祁艷軍，何光明，等．機制砂石骨料與減水劑適應(yīng)性的試驗研究[J]．建筑材料學(xué)報，2008,6(11):642-646．

[3]王欣，李楠，仇影，等．駱馬湖砂對預(yù)拌混凝土的影響及應(yīng)對措施[C]．中國建筑學(xué)會建材分會混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)專業(yè)委員會編．聚羧酸高性能減水劑及其應(yīng)用進展 2015．北京：北京理工大學(xué)出版社，2015:50-57．

[4]吳昊．粘土對聚羧酸減水劑的影響機制及控制措施[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)，2012．

[5]孫繼成．從業(yè)提醒——預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故 100 例[M]．北京：中國建材工業(yè)出版社，2012: 25-27．

[6]紫民，劉曠怡，劉松，等．珊瑚膠砂細骨料基本性能研究[J]．建材世界，2015,11(6): 11-14．

Analyze the influnce of river sand morphology on concrete flowability

Shan Jixiong, Shu Yunyan, Liang Zhongchun, Yang Qixin
(Second Harbor Engineering Fifth Engineering Branch Co., Ltd., of CCCC, Wuhan 430012)

This article made a detail analysis on poor fluidity and rapid slump loss of concrete caused by quality fluctuation of river sand. Fineness modulus, mud content and water absorption of saturated surface dry were testedamong the propertises of river sand. The effect of mud on water reducer dispersion performance was studied. The composition and surface morphology of river sand were measured. The results show that,the properties all meet the requirements of the specification. Mud didn’t show any obvious influence on water reducer performance. Through analysis of SEM, it found that there exist a lot of debris and holes in the surface of sand, which increase the water requirement and then lead to rapid slump loss.

river sand; morphology; concrete flowability

單繼雄（1989—），男，工學(xué)碩士，助理工程師，從事公路橋梁試驗檢測工作。

［通訊地址］武漢市江岸區(qū)解放大道 2639 號 中交二航局五分公司（430012）