引氣劑和沙漠砂對混凝土性能的影響

呂勝輝，沙吾列提·拜開依,2，阿力馬斯·葉爾布拉提，覃 森

(1.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，烏魯木齊 830017;2.新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830017)

0 引 言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)不斷發(fā)展和環(huán)保力度不斷提高，混凝土作為必要的建筑材料，每年使用量巨大，而砂子作為混凝土的組成材料之一，同樣有著驚人的消耗量。在開采河砂過程中會出現(xiàn)河道破壞和地貌改變的現(xiàn)象，我國對河砂開采的限制越來越嚴(yán)格，導(dǎo)致河砂的價格持續(xù)上漲，因此人們一直在尋找可以替代砂子的環(huán)保材料[1-2]。

我國西北地區(qū)擁有非常豐富的沙漠砂資源，利用沙漠砂配制混凝土可以改善西北地區(qū)河砂不足的現(xiàn)狀[3]。許多學(xué)者研究表明沙漠砂可以部分甚至完全替代普通砂[4-6]，但沙漠砂存在表面光滑、顆粒較細(xì)、級配不理想、需水量大、自身強(qiáng)度低等特性[7-8]，會降低混凝土拌合物的流動性，并且摻沙漠砂混凝土隨著沙漠砂替代率不同，抗壓強(qiáng)度也會發(fā)生改變[9]。引氣劑作為混凝土常見的一種外加劑，對混凝土拌合物的流動性有著較大的影響，合理摻入引氣劑可以改善摻沙漠砂混凝土的流動性[10-11]，并對其力學(xué)性能起到提升作用[12-14]。將沙漠砂摻入混凝土中會改變混凝土骨料的細(xì)度模數(shù)，從而對拌合物的含氣量產(chǎn)生抑制作用[15]。

本文設(shè)計了6種沙漠砂替代率(0%、20%、40%、60%、80%、100%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))與5種引氣劑摻量(0%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行組合，共30組混凝土配合比，探究了兩者對混凝土的坍落度、含氣量、經(jīng)時含氣量及力學(xué)強(qiáng)度的影響，以期為引氣摻沙漠砂混凝土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥；引氣劑選用脂肪醇聚氧乙烯醚(液體引氣劑，砂漿精，pH值為7)；石子選用級配為5～20 mm的卵石，表觀密度為2 675 kg/m3；水為普通自來水；砂子為普通砂，細(xì)度模數(shù)Mx=3.7,表觀密度為2 638 kg/m3；沙漠砂選用新疆托克遜沙漠砂，細(xì)度模數(shù)Mx=1.2，表觀密度為2 660 kg/m3。砂子粒徑如表1所示。

表1 砂子粒徑Table 1 Particle size of sand

1.2 配合比設(shè)計

按照規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)[16]確定C30混凝土的配合比，采用m(水) ∶m(水泥) ∶m(砂) ∶m(石)=0.5 ∶1 ∶1.64 ∶3.26的質(zhì)量比。沙漠砂對混凝土中的普通砂進(jìn)行等質(zhì)量取代，替代率共6種,分別為0%、20%、40%、60%、80%、100%。引氣劑的摻量為占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將0%、0.002%、0.003%、0.004%、0.005%的引氣劑摻入基準(zhǔn)混凝土中進(jìn)行試配，分別對應(yīng)的具體摻量為0 g·m-3、7.84 g·m-3、11.76 g·m-3、15.68 g·m-3、19.60 g·m-3。在6種沙漠砂替代率下分別與5種引氣劑摻量進(jìn)行組合，試驗(yàn)配合比共30組，除沙漠砂取代率與引氣劑摻量不同，每組配合比中其余材料摻量均相同，表2為混凝土配合比。

表2 引氣摻沙漠砂混凝土配合比Table 2 Proportion of air-entraining concrete mixed with desert sand

1.3 試驗(yàn)方法

分別測量30組配合比混凝土的含氣量、經(jīng)1 h含氣量、坍落度以及抗壓強(qiáng)度。采用直讀式含氣量測定儀測量新拌混凝土含氣量和經(jīng)1 h混凝土含氣量，為確保含氣量的準(zhǔn)確性，所有試驗(yàn)均測量2次，若2次含氣量測定值之差超過0.5%，則需進(jìn)行第三次測量，試驗(yàn)結(jié)果為符合規(guī)定的2次數(shù)據(jù)的平均值。將混凝土放在同溫度的室內(nèi)，測量經(jīng)1 h含氣量，測量方式與新拌混凝土相同。采用坍落度桶測量新拌混凝土的坍落度[17]。抗壓強(qiáng)度試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，試件是尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體，采用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)WHY3000測量90個C30混凝土立方體試件28 d的抗壓強(qiáng)度[18]。由于引氣劑性能極易受到溫度的影響，因此所有試驗(yàn)均在室內(nèi)進(jìn)行，溫度控制在20 ℃左右。

2 結(jié)果與討論

2.1 新拌混凝土含氣量

圖1 新拌混凝土含氣量Fig.1 Gas content of fresh concrete

新拌混凝土含氣量的測試結(jié)果如圖1所示，每條曲線代表不同引氣劑摻量下新拌混凝土含氣量。

通過圖1得出沙漠砂對混凝土的含氣量存在抑制作用，沙漠砂的摻入抑制了引氣劑的性能，隨著沙漠砂替代率的增加，抑制引氣劑性能的效果更加明顯，使新拌混凝土含氣量越低，則沙漠砂對新拌混凝土含氣量的影響也會越高。若不摻加引氣劑，混凝土含氣量在0.7%左右時，隨著沙漠砂替代率的增加，混凝土的含氣量幾乎不會改變。摻引氣劑的混凝土中的氣體由兩部分組成，一部分為混凝土攪拌過程中漩渦作用和細(xì)骨料在下落過程中引入的較少的氣體，另一部分為混凝土攪拌過程中引氣劑引入的大量氣體。在引氣劑的作用下，兩部分氣體由不均勻的氣泡轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的小氣泡，使小氣泡在混凝土中均勻分布，從而改善了混凝土的和易性和耐久性。隨著引氣劑摻量的增加，混凝土含氣量不斷增加。

沙漠砂對引氣劑的性能有直接和間接的影響。沙漠砂的直接影響為：當(dāng)砂的粒徑小于0.16 mm時，該部分特細(xì)砂會降低引氣劑的效果[5]，普通河砂基本不含有該部分，而此粒徑的沙漠砂占比為7%，因此隨著沙漠砂替代率的增加，對引氣劑的影響效果隨之加深。當(dāng)摻加砂子顆粒較細(xì)時，砂子的性能會與礦物摻合料相似，對引氣劑有吸附作用，所以混凝土摻沙漠砂后引氣劑的用量也會增加。沙漠砂的間接影響為：沙漠砂較細(xì)，其對骨料顆粒之間的縫隙起到填充作用；沙漠砂的吸水率較高，其使新拌混凝土流動性產(chǎn)生改變，造成引氣劑的引氣效果受到較大影響。此外沙漠砂中的鹽堿含量較高，通過改變引氣劑所處環(huán)境的pH值，會影響引氣劑的引氣性能。在沙漠砂摻量較高時，新拌混凝土的流動性降低，導(dǎo)致沙漠砂高摻量混凝土的含氣量進(jìn)一步降低。

新拌引氣摻沙漠砂混凝土的含氣量顯然與沙漠砂替代率及引氣劑摻量相關(guān)，從圖1中可以看出三者存在著一定的線性關(guān)系，為了更簡單、準(zhǔn)確地表達(dá)三者之間的關(guān)系，現(xiàn)將沙漠砂替代率與引氣劑摻量設(shè)置為自變量，將新拌混凝土含氣量設(shè)置為因變量，得出相關(guān)擬合公式，如式(1)所示。

H=1 582.2Y-0.015 98S+1.3

(1)

式中：H為新拌引氣摻沙漠砂混凝土的含氣量；Y為引氣劑占膠凝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；S為沙漠砂對河砂的替代率。公式(1)的擬合程度R2為0.988，通過公式(1)可以對不同沙漠砂替代率及引氣劑摻量下的新拌混凝土含氣量進(jìn)行推理預(yù)測。從公式(1)中可得出，引氣劑對混凝土的含氣量有較大的影響，而摻入沙漠砂對新拌混凝土含氣量存在明顯的抑制作用，且抑制性能隨著沙漠砂替代率增加而不斷增加。

2.2 混凝土經(jīng)1 h含氣量

混凝土經(jīng)1 h含氣量測量結(jié)果如圖2所示。新拌混凝土的含氣量在經(jīng)1 h后明顯降低，為顯示出含氣量的改變，現(xiàn)將新拌混凝土含氣量與經(jīng)時含氣量做差得含氣量經(jīng)時損失，進(jìn)而得出圖3。通過圖3可以得出混凝土經(jīng)1 h后含氣量的具體經(jīng)時損失，混凝土拌合物在靜置1 h后，含氣量普遍降低，但不摻引氣劑的混凝土拌合物，含氣量在經(jīng)1 h后變化不大。引氣劑摻量為0.004%、沙漠砂替代率為100%的拌合物，因放置位置靠近實(shí)驗(yàn)室門口，受溫度的影響，經(jīng)時含氣量較低，因此損失量較大。在靜置和運(yùn)輸過程中，混凝土拌合物中的小氣泡會不斷聚合成大氣泡，大氣泡會從混凝土拌合物表面會不斷溢出。混凝土的含氣量越高，拌合物中的小氣泡也就越多，更易匯聚成大氣泡，溢出的氣泡也就越多，因此引氣劑摻量越高的混凝土含氣量越高，在經(jīng)1 h后混凝土的含氣量經(jīng)時損失越大，含氣量較小時，在經(jīng)1 h后無明顯變化。

圖2 混凝土經(jīng)1 h含氣量Fig.2 Gas content after 1 h of concrete

圖3 混凝土經(jīng)1 h后含氣量經(jīng)時損失Fig.3 Gas content loss over time after 1 h of concrete

沙漠砂的摻入對混凝土的經(jīng)1 h含氣量影響較小。隨著沙漠砂摻量增加，混凝土經(jīng)1 h后含氣量的經(jīng)時損失反而不斷減小，主要因?yàn)殡S著沙漠砂摻量增加，新拌混凝土的含氣量變小，經(jīng)1 h后的含氣量經(jīng)時損失從而減小。沙漠砂的摻入填充了混凝土拌合物的孔隙，新拌混凝土更加密實(shí)，拌合物中的氣泡聚合變得更加艱難，使得混凝土中的氣泡變得更加穩(wěn)定，經(jīng)1 h混凝土拌合物中的氣泡損失量更小。沙漠砂在混凝土拌和時，對引氣劑的性能有明顯抑制作用，但對經(jīng)1 h混凝土拌合物中含氣量損失量的促進(jìn)作用并不明顯。

引氣摻沙漠砂混凝土的經(jīng)時含氣量與沙漠砂替代率和引氣劑摻量兩者存在著密切聯(lián)系，將沙漠砂替代率與引氣劑摻量設(shè)置為自變量，經(jīng)時含氣量設(shè)置為因變量，得出相關(guān)擬合公式，如式(2)所示。

Ht=823.8Y-0.011 34S+1.1

(2)

式中：Ht為混凝土的經(jīng)時含氣量。公式(2)的擬合程度R2為0.977，通過公式(2)可以推理預(yù)測出在不同沙漠砂替代率及引氣劑摻量下引氣摻沙漠砂混凝土的經(jīng)時含氣量。通過對比公式(2)與公式(1)中的引氣劑系數(shù)得出，引氣劑摻量對混凝土經(jīng)時含氣量的影響幾乎減小了一半，由此表明引氣摻沙漠砂混凝土內(nèi)的含氣量在經(jīng)1 h后損失較大。沙漠砂同樣使得經(jīng)時含氣量不斷減小，通過對比兩個公式中的沙漠砂系數(shù)，得出沙漠砂替代率對混凝土經(jīng)時含氣量影響逐漸減小。

2.3 混凝土坍落度

圖4 混凝土坍落度Fig.4 Slump of concrete

引氣摻沙漠砂混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖中每條曲線表示不同引氣劑摻量下新拌混凝土的坍落度。

通過圖4得出，坍落度隨著含氣量的增加，呈先增大后減小的趨勢，含氣量為5%，即引氣劑摻量為0.003%時，混凝土坍落度達(dá)到最大值。隨著沙漠砂替代率的增加，混凝土的坍落度也呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)沙漠砂摻量為40%時，混凝土的坍落度達(dá)到最大值。引氣劑有著減水劑的效果，這種減水效果一般會達(dá)到7%～9%。引氣劑在混凝土中產(chǎn)生微小氣泡，會出現(xiàn)滾珠效應(yīng)并發(fā)揮一定的潤滑作用，以此來減少混凝土流動時的阻力[19]。此外，混凝土的顆粒級配不完美時，微小氣泡會改善混凝土的顆粒級配[20]，同時提高混凝土的流動性，所以加入引氣劑會提高混凝土的坍落度。但當(dāng)混凝土含氣量過高時，小氣泡匯聚成大氣泡，大氣泡的穩(wěn)定性較差，極易從混凝土內(nèi)部運(yùn)動到表面[21]。另外引氣劑摻量越大，對混凝土中水分的吸附作用越明顯，導(dǎo)致流動性變差，坍落度減小。

河砂的顆粒級配并不完美，隨著沙漠砂的少量摻入，補(bǔ)充了普通砂缺少的細(xì)小顆粒的區(qū)間部分，砂子的顆粒級配得到了優(yōu)化，對混凝土的坍落度有較小的提高作用，但當(dāng)沙漠砂摻量超過40%后，因沙漠砂的吸水率較大，砂子的顆粒級配存在粒徑極小的部分，從而使混凝土的坍落度明顯降低。

2.4 混凝土抗壓強(qiáng)度

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of concrete

混凝土的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖5所示，每條曲線為不同引氣劑摻量下的抗壓強(qiáng)度。

通過圖5可以得出，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度隨著引氣劑摻量的增加而不斷變化，當(dāng)新拌混凝土引氣劑摻量小于0.002%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有提升，當(dāng)引氣劑摻量大于0.002%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷下降。引氣劑摻量每上升0.001個百分點(diǎn)，混凝土的抗壓強(qiáng)度大致降低2～3 MPa。在沙漠砂替代率小于40%時，混凝土的強(qiáng)度隨著沙漠砂摻入量增加而增加，當(dāng)沙漠砂替代率大于40%時，隨著沙漠砂的摻入混凝土的強(qiáng)度不斷降低，下降幅度較大。引氣劑使混凝土內(nèi)部大氣泡變?yōu)閳A潤的小氣泡，混凝土內(nèi)部裂縫減少，混凝土應(yīng)力集中降低，因此適量的引氣劑反而會使抗壓強(qiáng)度有所提升。混凝土含氣量過高會造成內(nèi)部氣泡變多，受壓面積變小，因此抗壓強(qiáng)度隨之減小。摻入少量的沙漠砂不僅優(yōu)化了骨料的顆粒級配，而且起到了填充縫隙的作用，因此抗壓強(qiáng)度得到了提升；但較大摻量的沙漠砂使砂子的顆粒級配變差，從而由中砂變?yōu)榧?xì)砂，沙漠砂相較于河砂強(qiáng)度較小，大量摻入使抗壓強(qiáng)度不斷降低。

3 結(jié) 論

(1)因沙漠砂自身特性的原因，在摻入引氣混凝土后，會對新拌混凝土的含氣量產(chǎn)生抑制作用，且隨著沙漠砂替代率的增加及新拌混凝土含氣量的增加，抑制作用不斷增強(qiáng)。

(2)新拌混凝土的含氣量越高，在經(jīng)1 h后混凝土含氣量損失量也會越多。沙漠砂摻入混凝土的拌和過程中對混凝土內(nèi)的氣泡有較大影響，但經(jīng)1 h后對混凝土已經(jīng)生成的氣泡影響并不明顯。

(3)在引氣劑摻量為0.003%，沙漠砂替代率為40%時，混凝土坍落度取得最大值。隨著新拌混凝土含氣量及沙漠砂替代率的增加，坍落度均呈先升高后下降的趨勢。

(4)引氣摻沙漠砂混凝土隨著引氣劑摻量與沙漠砂替代率的增加，抗壓強(qiáng)度均呈先增大后減小的趨勢。在引氣劑摻量為0.002%、沙漠砂替代率為40%時，C30混凝土28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。