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砂碎石含泥量对混凝土性能的影响

发表时间：2020/12/18 来源：《基层建设》2020年第24期作者：高峰1 刘星2

[导读] 摘要：针对砂碎石混凝土填料用外加剂砂碎石填料中的含物质泥量容易严重超标的突出问题，开展了砂碎石填料中的含物质泥量亚甲基蓝曲线定量分析及砂碎石含物质泥量对于混凝土工作性能渗透强度影响规律的分析进行研究。

        江西省高速集团项目建设管理公司 330052
        摘要：针对砂碎石混凝土填料用外加剂砂碎石填料中的含物质泥量容易严重超标的突出问题，开展了砂碎石填料中的含物质泥量亚甲基蓝曲线定量分析及砂碎石含物质泥量对于混凝土工作性能渗透强度影响规律的分析进行研究。试验的结果表明：砂碎石填料中的含物质泥量主要包括黏土质泥粉和砂碎石粉，其中黏土质泥粉对于混凝土界面过渡区影响明显。随着混凝土含泥量的逐渐地增加，混凝土拌合物的整体工作性能逐渐地变差，混凝土的整体抗压强度逐渐地下降，干缩逐渐明显增大，混凝土的整体抗氯离子的渗透强度性能和整体抗裂渗透性能逐渐地下降；砂碎石含泥量渗透强度超过1.5%时，相同混凝土工作性能的条件下混凝土外加剂的掺量明显地增大、抗压离子渗透强度明显地下降、干缩明显逐渐增加；砂碎石含泥量渗透强度超过1.0%时，混凝土整体抗氯离子的渗透性和整体抗裂性明显地下降；砂碎石混凝土填料用外加剂对砂碎石整体含物质泥量的要求范围可适当地放宽。合理的范围应将含泥量控制在1.0%以内。
        关键词：砂碎石；含泥量；混凝土；性能；影响；范围
        1引言
        砂碎石颗粒含沙量是指粒径小于0.075mm的砂碎石颗粒含量，是建筑混凝土工程中砂碎石结构性能指标的重要组成指标。普通混凝土水泥浆集料包括非常细粘土水泥颗粒和非常细碎石粉水泥颗粒。这些非常细的水泥颗粒材料将混凝土包裹在非常细的集料和水泥石表面，阻碍了集料和粘土水泥石之间的相互粘合，形成一个弱界面的混凝土层。有时它们的颗粒会直接聚集在一起形成一个混凝土的薄弱环节，这将使它们成为影响混凝土结构性能、力学性能、抗裂性和混凝土耐久性的一个薄弱环节，并对其产生不利的影响。普通混凝土¸砂碎石是目前在建筑工程中广泛使用的主要混凝土材料，对于混凝土的抗腐蚀性和混凝土抗裂性能的要求极高。砂石泥浆中的粉砂含量对于混凝土的强度和耐久性有不利的影响。因此应严格要求所使用砂石泥浆的含量。根据国家有关的规定，如JTG／TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》，明确规定公路桥梁按标准强度控制等级低于C50的混凝土碎石含泥量不得超过0.5%。
        山的表面覆盖着泥，堆积在岩石裂缝中的碎石和风化岩石在被压碎前不能完全清除；
        受施工场地和环境条件限制，场地不具备水洗条件；
        在清洗过程中，使用最大粒径较小的粒径很难去除小于0.075mm的细小颗粒。在砂石的生产和运输过程中会产生一些石粉。现行国家标准规定0.075mm以下的细颗粒（含石粉）为泥浆粉。上述因素将导致项目中使用的砂石含量超过泥浆内容，采用现场水力冲洗或停止等待，不仅增加了工程造价，项目不仅增加了成本，但也常常影响到项目的正常施工。
        针对上述的复杂问题，对存在基层钢筋砂页岩碎石的所有含泥量亚甲基蓝宝石曲线模型进行了定量分析¸，研究了其所有含泥物总量对存在基层钢筋混凝土结构性能的直接波动影响，为当前研究如何确定存在基层钢筋混凝土中的砂页岩碎石中所含有污泥量的合理性与范围关系提供了重要基础技术上的数据参考和重要理论上的支持，具有重要的理论意义对类似的岩土工程技术研究成果具有重要的理论实际意义。
        2试验材料与方法
        2.1试验材料
        水泥：江西于都万年青水泥厂生产的P•O42.5级水泥。
        粉煤灰：广东韶关粤电乌石电厂的I级粉煤灰，需水量比98%；掺量15%。
        砂：江西桃江中砂，细度模数2.83，含泥量0.6%。
        碎石：黄柏山碎石场5~20mm碎石（5~10mm：10~20mm=0.75∶0.25），表观密度2682kg/m3。
        外加剂：石家庄长安育才生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率26%。
        石粉：砂碎石清洗、烘干后，压碎过0.075mm筛子，筛下部分为石粉。
        泥粉：主要原料是选取自火山砂岩的碎石场并经开山后在取石前去除覆盖在整块山体泥皮表面的一层硬质固体泥层表皮，将其进行烘干过0.075mm重的筛选后配制得到的硬质泥粉，经检测实验结果综合分析确实为利用黏土淀粉制成的硬质固体泥皮淀粉。
        2.2试验方法
        2.2.1基准配合比
        表1为平均试验用量与C50混凝土所用基准配合材料用量配合的对比¸：胶凝混粘土所用基准配合材料平均试验用量材料配合比为494kg/m3：水胶比为0.34：砂率高的水胶比为¸38%。
        表1 试验基准配合比    kg/m3

        2.2.2试验方法
        氯离子扩散系数和开裂性能试验均按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》。
        干缩性能试验按照GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》要求的接触法。
        3试验方案
        3.1砂碎石含泥量亚甲基蓝标定曲线
        通过在样品中添加不同泥粉比例的砂碎石粉和泥粉，制备出不同的泥粉组分含量的砂碎石样品，并在其中采用亚甲基吸附曲线和亚甲基修正的方法测定砂碎石中泥粉主要组分的含量和组成。具体的试验解决方案请参见测试表2。具体的测试步骤说明如下：
        取20.0g的试样，倒入一个装有（500±5）毫升亚甲基蓝蒸馏水的玻璃烧杯中，用叶轮搅拌器以（600±60）r/min的稳定速度继续搅拌5分钟，使其完全悬浮。实验的过程中，每滴试样加入0.5毫升亚甲基蓝溶液，以（400±40）r/min的稳定速度继续使用叶轮搅拌，直至溶液出现稳定的1毫米亚甲基蓝色晕。记录亚甲基蓝蒸馏水溶液的消耗量。
        绘制了称为亚甲基蓝泥粉的泥灰水溶液杂质含量与亚甲基蓝的泥粉水溶液杂质含量和泥粉体积的复合回归方程函数之间关系的回归曲线，得出了其中泥粉的水含量与其中称为亚甲酸乙基蓝泥粉溶液的水含量和泥粉体积的回归方程。
        现场收集的0.075mm筛子的剩余部分进行干燥和取样。根据上述方法，记录所消耗的亚甲基蓝溶液的体积，从曲线上找出待测样品中亚甲基蓝溶液的含量。
        表2 标定曲线试验方案设计

3.2不同砂碎石含泥量混凝土性能试验
砂碎石是通过一个0.075毫米的长方形筛子，筛子上部可以用来搅拌制成各种基准石料（一般砂碎石的基准含泥量为0.3%），筛下下部由掺入少量泥浆的组分和砂碎石组成。在各种基准石料中可以掺入少量泥浆的组分，配制出各种含0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%含量泥浆的组分和砂凝土碎石，通过改变混凝土外加剂的含量坍落度和配合比来精确控制各组混凝土的含量配合比坍落度控制在（200±20毫米范围内。不同类型的砂碎泥基准石料含量的配合比混凝土基准石料配制的工艺如图1所示。混凝土按照如表1所示基准石料的配合比进行配制。当使用混凝土基准石料搅拌时，加入其他混凝土碎石、泥浆的组分，搅拌30秒，使泥浆组分尽可能地粘附在其他砂凝土碎石的表面，更好地符合实际的情况。

        图1 不同含泥量混凝土制备流程
        4试验结果及分析
        4.1含泥组分亚甲基蓝曲线标定定量分析
        不同泥粉含量亚甲基蓝的吸附曲线见图2。

        图2 泥粉对亚甲基蓝的吸附曲线
        从图2中我们可以明显看出，砂碎石的硬度和泥浆含量与泥粉中添加的亚甲蓝颗粒溶液的硬度和体积之间仍然存在良好的相关性。随着泥粉含量的进一步增加，亚甲蓝的硬度和消耗量逐渐地进一步增加，表明了泥粉对亚甲蓝颗粒具有较强的吸附和抗氧化作用。主要的原因可能是：泥粉吸附的是一种具有强阳离子交换吸¸附能力的水溶性粘土状物质。泥粉吸附的是将阳离子均匀地填充在粘土层中以保持电荷平衡，从而大大提高了泥粉对于吸收亚甲基蓝颗粒的离子交换能力。
        通过对测定原料数据的进行线性拟合，得到了泥浆的含量和亚甲基蓝的校正曲线，然后用样品的亚甲基蓝的吸附值方法进行了测定。图2显示了亚甲蓝原料中石粉和泥粉的平均含量。每个样品的亚甲蓝消耗量大约为22.0毫升，相应的校正曲线计算结果表明，泥浆的组成为60%的砂石粉和40%的水泥粉。在砂石中掺入少量的滑石粉，对于混凝土的性能几乎无不良影响。
        4.2含泥量对新拌混凝土工作性的影响
        当外加剂保持水泥混凝土的工作性基本相同时，不同外加剂的含泥混凝土掺量与外加剂混凝土掺量的工作性关系的曲线见图3。

        图3 含泥量与外加剂掺量的关系
        由图3可见，随着混凝土泥浆含量的进一步增加，外加剂的含量逐渐有所增加。但是当外加剂含泥量不超过1%时，效果不明显。实验结果表明，泥浆外加剂含量的进一步增加对混凝土拌合物的混凝土和易性有不利的影响。由于混凝土泥浆外加剂含量和比表面积的进一步增加，部分的减水剂吸附在泥浆的粉体周围，无法很好地发挥作用。同时，泥团吸收大量的水分，粘在混凝土骨料的表面，影响了部分水泥浆对混凝土骨料的和易性和包裹，增加了混凝土的和易性和粘结力。因此，需要使用更多的混凝土外加剂或更多的拌和用水来帮助保证新骨料搅拌混凝土的和易性。
        4.3含泥量对混凝土力学性能影响
        当我们保持钢筋混凝土的工作性基本相同时，不同的含泥混凝土质量对抗压强度的直接影响见图4。

        图4 含泥量对抗压强度的影响
        从图4可以明显看出，随着混凝土泥浆含量的进一步增加，混凝土的含泥量抗压强度在第7天和第28天逐渐明显降低。其中当混凝土的含泥量抗压强度小于1.5%，对混凝土强度的影响较小，当混凝土的含泥量抗压强度大于1.5%，强度的影响会明显降低。主要的原因之一是水泥石粉在集料中具有对轻微集料的吸收和填充作用，对于混凝土的强度影响有一定的提高和强化作用。泥粉直接包裹在混凝土集料的水泥石表面，阻碍了集料与混凝土水泥石的直接粘结，形成弱的断裂界面层，降低了混凝土的强度。混凝土含泥量在0.3%到3.0%的范围内，泥浆的含量对混凝土强度的提高和影响已经起到了主导作用，当混凝土的含泥量抗压强度大于1.5%其中，泥粉的还原作用更为明显。
        4.4含泥量对混凝土抗氯离子渗透性能影响
        当保持两种混凝土的工作性基本相同时，不同的含泥量也会对抗凝土中的氯离子及其渗透性能的直接影响见图5。

        图5 含泥量对氯离子扩散系数的影响
        由图5可知：砂碎石的含泥量在0~3.0%的范围内，随着砂碎石含泥量的逐渐地增加，氯离子扩散系数逐渐地增大，抗氯离子的渗透性逐渐地变差；在混凝土含泥量达到>1.0%时，混凝土的抗氯离子扩散系数的变化明显地增大。这主要是因为混凝土将含氯的水泥组分包裹在其他集料组分的表面，妨碍了集料与其他水泥石之间的相互黏结，形成软弱的混凝土界面层，而且它们有时甚至会直接聚集在一起形成软弱的混凝土区域，成为了混凝土施工过程中的薄弱地区，导致了混凝土的抗氯离子扩散和渗透性能的明显下降。
        4.5含泥量对混凝土干缩性能的影响
        当基层含泥与厚度保持干性混凝土具有干性和缩性的工作性基本相同时，不同的厚度含泥工作量对于保持混凝土的保持干性和缩性对工作量和性能的直接构成影响主要见下表图6。

        图6 含泥量对混凝土干缩性能影响
        从图6可以清楚地看出，混凝土的膨胀和干缩随着混凝土含泥量的收缩率增加而明显地增大。例如当水泥砂浆和碎石混凝土含泥量的收缩率超过1.5%时，混凝土的泥浆收缩率明显地增大，抗裂性能也明显降低。其主要的原因之一就是由于水泥浆中的弹性组分直接附着在混凝土的集料上，使得水泥浆与混凝土集料的界面弹性变差，抗裂性能明显降低，变形增大。
        4.6含泥量对混凝土开裂性能影响
        当保持两种混凝土的工作性基本相同时，不同的含泥量对两种混凝土抗裂性能的直接影响见图7。

        图7 含泥量对混凝土开裂性能影响
        从图7可以看出，随着含泥量的增加，混凝土的开裂面积逐渐增大，开裂性能变差。当含泥量小于1.0%抗裂效果不明显。当含泥量超过1.0%混凝土的抗裂性能明显降低，含泥量为3%的混凝土的干缩比含泥量为3%的混凝土大3倍左右0.3%大大提高了混凝土的裂缝敏感性。主要原因是：泥粉是一种极细颗粒的活性材料，它们会吸收大量的水分，这些活性材料一方面使水泥浆与集料之间的界面变差，影响泥与集料之间的粘结性，削弱集料抑制收缩的能力，降低抗裂性；另一方面，泥粉吸收的水分是自由水，具有挥发性，挥发后变形较大，断裂敏感性增加。
        从图7可以清楚地看出，随着混凝土含泥量的进一步增加，混凝土的含泥量和开裂面积逐渐增大，开裂效果性能也逐渐变差。当开裂时含泥量密度小于1.0%抗裂的效果不明显。而且当开裂时含泥量超过1.0%混凝土的抗裂效果性能明显降低，含泥量一般为3%的钢筋混凝土的干裂缝收缩比含泥量为3%的钢筋混凝土大3倍左右0.3%大大提高了钢筋混凝土的对干裂缝收缩敏感性。主要的原因可能是：混凝土的泥粉是一种极细颗粒的活性复合材料，它们会从裂缝吸收大量的活性水分，这些活性复合材料的使用一方面可能会使水泥浆与混凝土集料之间的裂缝界面适应性变差，影响了水泥与混凝土集料之¸间的裂缝粘结性，削弱了集料之间抑制裂缝收缩的能力，降低了抗裂性；另一方面，泥粉在裂缝中吸收的自由活性水分主要是自由活性水，具有较强挥发性，挥发后的变形较大，断裂的敏感性随之增加。
        5结论
        研究得出以下结论：
        集料中可能还含有少量石粉和黏土质泥粉。随着砾石泥粉中有机物含量的降低和增加，膨胀性粘土矿物具有极大的比表面，亚甲基蓝的吸附曲线含量也会增加。通过对根据亚甲基蓝吸附曲线的粘度进行标定和分析，确定本次吸附试验所用的岩砂和砾石中分别含有60%的黏土质石粉和40%的黏土质泥粉。
        砂石中膨胀性粘土矿物具有极大的比表面对混凝土性能的影响起主导作用。
        随着混凝土含泥量的掺水浓度增加，混凝土及其混合料的正常工作抗压性能逐渐地变差，混凝土的强度逐渐地降低，干混量的收缩逐渐地增大，混凝土的整体抗腐蚀性和混凝土抗裂性逐渐地降低。同时当混凝土含泥量浓度大于1.5%时，同一种抗压工况下混凝土掺入的外加剂明显地增加，混凝土的抗压强度和渗透性明显降低，收缩明显地增大。同时当混凝土含泥量浓度超过1.0%时，混凝土的整体抗氯离子渗透性和混凝土抗裂性也会明显降低。
        根据试验结果，混凝土用砂砾石的实际泥浆成分为石粉和泥浆粉。适当放宽砂砾石含泥量，合理控制在1%以内。
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