賴增偉，藍(lán)日彥

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑和道路工程行業(yè)的建設(shè)步伐日益加快，使得天然砂石一直處于高開(kāi)采、高消耗的趨勢(shì)[1-2]。2019年，我國(guó)砂石骨料的年消耗量約為210億t，不僅導(dǎo)致天然砂石資源的枯竭和價(jià)格上漲，而且還對(duì)我國(guó)江河水系的生態(tài)、防洪堤岸以及橋梁等造成嚴(yán)重的影響[3-4]。隨著國(guó)家環(huán)保部門(mén)對(duì)自然資源的保護(hù)力度日益加大，使用機(jī)制砂替代天然砂已成為混凝土行業(yè)發(fā)展和研究的重要焦點(diǎn)。

機(jī)制砂是由機(jī)械設(shè)備破碎、篩分后的粒徑<4.75 mm的顆粒[5-6]。機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝導(dǎo)致其顆粒表面粗糙、多棱角、級(jí)配差，而且常伴有大量的粒徑<75μm的石粉產(chǎn)生，使其在砂漿及混凝土應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)工作性能變異大、力學(xué)性能以及耐久性能降低的問(wèn)題[7-8]。劉凱等[9]的研究結(jié)果表明石粉含量占膠凝材料的7%時(shí)，所制備的混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高，且石粉含量>8.1%時(shí)，會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響。何世欽等[5]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中的石粉含量在10%左右時(shí)對(duì)砂漿和混凝土的流動(dòng)性和黏度具有不利影響，容易使拌和物流動(dòng)性能降低。喬金麗等[10]發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂中石粉摻量在6%時(shí)，制備的C80機(jī)制砂混凝土工作性和強(qiáng)度達(dá)到最佳，繼續(xù)增加其摻量會(huì)使混凝土的性能降低。寧成晉等[11]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)石粉含量在7%以下時(shí)，采用礦粉與粉煤灰復(fù)摻后可制備出坍落度為180 mm、擴(kuò)展度為500 mm以上的機(jī)制砂高性能混凝土。因此，針對(duì)石粉含量較高的機(jī)制砂混凝土使用問(wèn)題，目前的研究?jī)H僅局限于研究石粉對(duì)其性能的改善，而研究吸水樹(shù)脂摻入后對(duì)機(jī)制砂混凝土性能影響的較少。吸水樹(shù)脂作為一種新型的外加劑，其具有良好的保水能力，吸水后能在其內(nèi)外環(huán)境出現(xiàn)滲透壓差時(shí)釋放出水分，提高漿體的流動(dòng)性，起到一定的養(yǎng)護(hù)作用[12-15]。李發(fā)平等[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著高吸水樹(shù)脂摻量的增加，水泥砂漿的流動(dòng)度增大。本研究為室內(nèi)試驗(yàn)，通過(guò)引入高倍率的吸水樹(shù)脂來(lái)研究其對(duì)摻石粉水泥凈漿分散性、流動(dòng)性和機(jī)制砂砂漿流變性的影響，同時(shí)研究一定石粉摻量下其對(duì)機(jī)制砂砂漿力學(xué)性能的影響，從而為機(jī)制砂的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)水泥：采用海螺普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，平均粒徑為24.31μm，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥的主要技術(shù)指標(biāo)表

(2)吸水樹(shù)脂：白色顆粒，其吸水倍率為250，平均粒徑為285μm，揮發(fā)物含量為2.5%，氯離子含量為0.04%，試驗(yàn)中的摻量是以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)，采用外摻法。

(3)石粉：其材質(zhì)與細(xì)集料相同，通過(guò)機(jī)制砂篩分出粒徑<0.075 mm的顆粒，其摻量也是以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)，采用外摻法。

(4)細(xì)集料：經(jīng)石灰?guī)r破碎后形成的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，石粉含量為4%。

(5)外加劑：采用巴斯夫的聚羧酸粉體減水劑，減水率為25%以上。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案及方法

1.2.1 水泥凈漿分散程度的測(cè)定

水泥為100 g，水為300 g，石粉為6 g，然后分別按照吸水樹(shù)脂摻量為0、0.05%、0.10%、0.15%、0.2%及0.25%的比例依次稱取測(cè)試。首先將稱取完畢的水泥、石粉和吸水樹(shù)脂加入水泥凈漿攪拌鍋中慢速攪拌30 s使其混合均勻，加入水后繼續(xù)快速攪拌120 s制備成水泥混合漿體，量取適量的漿體倒入離心管中，在高速離心機(jī)3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，收取一定量上清液，然后用孔徑為0.45μm的微濾膜過(guò)濾除去雜質(zhì)，稀釋一定倍數(shù)后采用上海屹譜儀器制造有限公司生產(chǎn)的紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV法)測(cè)量在特定吸收波長(zhǎng)下的吸光度，并根據(jù)吸光度的變化判斷其分散程度，試驗(yàn)最大吸收波長(zhǎng)676 nm為測(cè)試特定波長(zhǎng)。

1.2.2 水泥凈漿流動(dòng)性的測(cè)定

首先按照表2的比例稱取材料，再將稱取的水泥、石粉和吸水樹(shù)脂加入水泥凈漿攪拌鍋中慢速攪拌30 s使其混合均勻，然后加入水后繼續(xù)慢速攪拌120 s后停15 s，接著快速攪拌120 s制備成水泥混合漿體，并按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T8077-2000)測(cè)試水泥凈漿的流動(dòng)性。

表2 水泥凈漿實(shí)驗(yàn)方案表

1.2.3 機(jī)制砂砂漿的流變性及力學(xué)性能測(cè)定

首先按照表3的比例稱取材料，然后將稱取的水泥、減水劑、石粉、吸水樹(shù)脂和機(jī)制砂依次緩慢加入水泥膠砂攪拌鍋中慢速攪拌60 s使其混合均勻，接著將水加入(防止飛濺)繼續(xù)慢速攪拌60 s后停15 s，再快速攪拌120 s制備成機(jī)制砂砂漿：(1)將制備的機(jī)制砂砂漿采用旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定漿體在各剪切速率下的剪切應(yīng)力值，并通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的屈服應(yīng)力和塑性黏度值，每組測(cè)量?jī)纱?，取平均值?2)將制備的機(jī)制砂砂漿立即裝入(40×40×160)mm的模具振實(shí)后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24 h脫模，脫模后繼續(xù)自然養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期并按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GBT17671-1999)進(jìn)行測(cè)試。

表3 機(jī)制砂砂漿實(shí)驗(yàn)方案表

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥凈漿漿體分散性的影響

圖1為特定波長(zhǎng)676 nm下測(cè)得的水泥復(fù)合漿體吸光度隨吸水樹(shù)脂摻量的變化曲線圖。從圖1可以看出，當(dāng)吸水樹(shù)脂摻量為0.15%時(shí)，其吸光度最大，水泥混合體系中加入吸水樹(shù)脂后，體系的吸光度明顯大于未摻吸水樹(shù)脂時(shí)的吸光度，并且在石粉摻量確定的條件下，水泥混合體系的吸光度隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。原因是：(1)由于一定摻量的吸水樹(shù)脂作為表面活性劑，其在體系中吸水膨脹后形成凝膠顆粒，在攪拌機(jī)的拌和下能夠被分散，起到潤(rùn)滑的作用，減小水泥漿體顆粒之間的運(yùn)動(dòng)阻力，改善了水泥混合體系的分散性[14]；(2)過(guò)量的吸水樹(shù)脂會(huì)使吸水量增加，導(dǎo)致體系中的自由水減少，進(jìn)而使得其潤(rùn)滑的效應(yīng)小于體系自由水減小所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)，使得水泥混合體系的分散性降低。這表明一定量的吸水樹(shù)脂能從整體上改善水泥混合體系的分散性，過(guò)量的吸水樹(shù)脂會(huì)對(duì)體系的分散性造成影響。

圖1 特定波長(zhǎng)676 nm下水泥混合漿體吸光度隨吸水樹(shù)脂摻量變化的曲線圖

2.2 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性及砂漿流變性能的測(cè)定

圖2是水泥復(fù)合漿體流動(dòng)性隨吸水樹(shù)脂摻量變化的柱形圖，表4是吸水樹(shù)脂不同摻量下機(jī)制砂砂漿漿體流變性能的試驗(yàn)結(jié)果。從圖2中可看出水泥漿體的流動(dòng)性隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加先逐漸增加后降低，當(dāng)吸水樹(shù)脂摻量為0.15%時(shí)，流動(dòng)度達(dá)到了141.2 mm，較未摻吸水樹(shù)脂的流動(dòng)度118 mm增加了19.7%，但繼續(xù)增加其摻量，流動(dòng)度呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，在摻量為0.25%時(shí)，其流動(dòng)度下降到111.5 mm，這與吸水樹(shù)脂摻入后對(duì)水泥漿體的分散性影響結(jié)果一致。而且從表4的機(jī)制砂砂漿流變?cè)囼?yàn)結(jié)果中也可以看出隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加，機(jī)制砂砂漿漿體的屈服應(yīng)力和黏度均呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，屈服應(yīng)力和黏度的減小表明機(jī)制砂砂漿漿體在發(fā)生初始流動(dòng)時(shí)所需要克服的最大阻力在變小，其只需在較小的剪切應(yīng)力下就能發(fā)生形變，流動(dòng)性好，反之需要在較大的剪切應(yīng)力下才能發(fā)生形變。

圖2 吸水樹(shù)脂對(duì)水泥混合漿體流動(dòng)性的影響柱形圖

表4 摻加吸水樹(shù)脂的機(jī)制砂砂漿流變性能的試驗(yàn)結(jié)果表

2.3 吸水樹(shù)脂對(duì)不同齡期試樣力學(xué)性能的影響

吸水樹(shù)脂不同摻量下機(jī)制砂砂漿試樣抗折強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖3，吸水樹(shù)脂不同摻量下機(jī)制砂砂漿試樣抗壓強(qiáng)度的變化見(jiàn)圖4。從圖3中可以看出未摻吸水樹(shù)脂和摻入吸水樹(shù)脂的機(jī)制砂砂漿的抗折強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增加。3 d齡期下，隨著吸水樹(shù)脂的摻量增加，抗折強(qiáng)度先增加后降低，最大為4.4 MPa。繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相較于未摻吸水樹(shù)脂的機(jī)制砂砂漿抗折強(qiáng)度，摻入吸水樹(shù)脂的幾乎無(wú)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，且摻量增加至0.2%以上時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì)。從圖4中可以看出未摻吸水樹(shù)脂和摻入吸水樹(shù)脂的機(jī)制砂砂漿的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而逐漸增加。并且在相同齡期下，隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但均有一定程度的提升。在吸水樹(shù)脂摻量為0.1%和0.15%時(shí)，28 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到40 MPa以上，繼續(xù)增加其摻量至0.2%以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是由于在養(yǎng)護(hù)早期，較少量的吸水樹(shù)脂摻入后吸取自由水，使得體系中的水減少，水膠比降低，從而使得材料在一定的水灰比范圍內(nèi)密實(shí)度增加，早期強(qiáng)度得以提升[15][17]。而隨著自然養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥不斷地水化消耗體系中的水，導(dǎo)致吸水樹(shù)脂向外不斷“釋放”水分，使未水化的水泥繼續(xù)水化生成水化產(chǎn)物，填充因其釋放水分而產(chǎn)生的少量孔隙，密實(shí)度繼續(xù)增加，使得后期強(qiáng)度仍有一定的提升。但過(guò)量的吸水樹(shù)脂摻入后吸水量可能過(guò)大，導(dǎo)致水膠比過(guò)低，材料的密實(shí)度降低，內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙和缺陷，使得強(qiáng)度也隨之降低[18]。

圖3 吸水樹(shù)脂對(duì)機(jī)制砂砂漿抗折強(qiáng)度的影響柱形圖

圖4 吸水樹(shù)脂對(duì)機(jī)制砂砂漿抗壓強(qiáng)度的影響柱形圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)適量的吸水樹(shù)脂摻入能改善水泥混合體系的分散性。在石粉摻量確定的條件下，其吸光度隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加先增大后降低，當(dāng)其摻量為0.15%時(shí)，吸光度最大，分散性最佳。

(2)在石粉摻量確定的條件下，水泥凈漿混合體系的流動(dòng)度隨吸水樹(shù)脂摻量的增加先增加后降低，吸水樹(shù)脂摻量為0.15%時(shí)的流動(dòng)度較未摻吸水樹(shù)脂的增加了19.7%，并且機(jī)制砂砂漿的屈服應(yīng)力和黏度也最小，其在一定剪切應(yīng)力下形變能力較好。

(3)摻入吸水樹(shù)脂后，其對(duì)機(jī)制砂砂漿抗折強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在早期，養(yǎng)護(hù)至3 d時(shí)，抗折強(qiáng)度隨著其摻量增加先增加后降低，且摻量在0.2%以上時(shí)，抗折強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度下降。

(4)隨著吸水樹(shù)脂摻量的增加，機(jī)制砂砂漿抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；在吸水樹(shù)脂摻量為0.1%和0.15%時(shí)，28 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到為40 MPa以上，繼續(xù)增加其摻量至0.2%以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。