胶凝砂砾石含泥量对其强度的影响

郭磊　王佳　郭利霞　赵天明　管子　申伟平

摘 要：胶凝砂砾石骨料多为现场开挖料，含泥量较普通混凝土高得多，对混凝土的工作性能有较大的不利影响。为了给工程设计提供参考依据，进行了水胶比为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4的情况下含泥量为0%～50%的胶砂试块强度试验和SEM电镜扫描，通过试验数据分析和微观SEM图像分析，研究了含泥量对胶凝砂砾石强度的影响。结果表明：泥在胶砂试块内部影响胶凝材料的水化反应，导致试块整体结构性变差、密实度和强度降低;随着含泥量的增加，胶砂试块强度降低，当含泥量在10%以下、水胶比为1.0左右时对胶砂试块强度影响最小，即含泥量小于10%时才能保证试块强度。

关键词：混凝土;胶凝砂砾石;含泥量; SEM电镜扫描;抗压强度;抗折强度

中图分类号： TV432   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.027

Effect of Mud Content in Cemented Sand Gravel Based on Its Strength

GUO Lei1，2，3， WANG Jia1，2，3， GUO Lixia1，2，3， ZHAO Tianming1，2，3， GUAN Zi1，2，3， SHEN Weiping1，2，3

（1.College of Water Resources， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450045， China;

2.Water Environment Governance and Ecological Restoration Academician Workstation of Henan Province， Zhengzhou 450002， China;

3.Henan Key Laboratory of Water Environment Simulation and Treatment， Zhengzhou 450002， China）

Abstract：The cementitious sand gravel aggregate is mostly excavated on site， and the mud content is much higher than that of ordinary concrete， which has a large adverse effect on the workability of the concrete. In order to provide a reference for the engineering design， a water-binder ratio of 1.0 ， 1.1， 1.2， 1.3， and 1.4 was carried out， the strength test and SEM Scanning electron microscope of the rubber sand test block with a mud content of 0% to 50% were studied by analyzing the test data and microscopic SEM image analysis and the effect of the strength of content sand gravel was studied. The results show that mud affects the hydration reaction of the cementitious material inside the rubber sand test block， which leads to the deterioration of the overall structure of the test block， the decrease in compactness and strength; as the mud content increases， the strength of the rubber test block decreases. When the mud content is below 10% and the water-binder ratio is about 1.0， the effect on the strength of the rubber sand test block is the smallest， that is， the strength of the test block can be guaranteed when the mud content is less than 10%.

Key words： cement; cemented sand gravel; mud content; scanning electron microscope; compressive strength; flexural strength.

隨着对环境保护要求的提高，绿色环保混凝土技术得到不断发展[1]。胶凝砂砾石是一种新型筑坝材料，具有经济、安全、低碳环保、施工便利等优点[2]。胶凝砂砾石骨料多为现场开挖料，含泥量（天然砂中粒径小于0.02 mm 且数量高于50%的颗粒含量为含泥量[3]）较普通混凝土高得多。含泥量对混凝土的工作性能有较大的不利影响，总体上强度随含泥量的提高而降低，含泥量过大会对材料特性产生不利影响。为了给工程设计提供参考依据，笔者通过试验数据分析和微观SEM图像分析，研究了含泥量对胶凝砂砾石强度的影响。

1 胶凝砂砾石制备工艺

混凝土的传统拌制工艺水化机理见图1（a）。虽然传统拌制法投料简单、搅拌时间短，但是骨料和水直接接触，在表层生成一层自由水薄膜，形成水灰比较高的过渡区，从而使自由水薄膜层和过渡区变厚，一定程度削弱了水泥浆和骨料间的咬合作用。因此，混凝土破坏形式多为结合面产生裂缝，直至完全破坏。水泥颗粒与骨料之间存在咬合作用，宏观上有10%～30%的水泥颗粒没有发生充分的水化反应而影响混凝土强度等。目前，提倡绿色环保文明施工，传统混凝土拌制是把水泥、骨料、砂、粉煤灰等一次性投入搅拌罐，会产生大量的粉尘，污染空气，对环境造成不利影响。而预拌浓浆法先将水和胶凝材料混合，再和骨料混合拌制，提高了材料拌和的均匀性，提高了混凝土性能，其水化机理见图1（b）。相对于普通混凝土，胶凝砂砾石水泥用量较少，胶凝材料如果拌和不均匀、骨料之间的界面性能差，就会影响整体性能，采用预拌浓浆制备工艺可提高界面性能，进而提高胶凝砂砾石宏观性能[4]。

2 试验材料和方法

2.1 原材料和设备

根据建材行业标准《行星式水泥胶砂搅拌机》（JC/T 681—2005）的技术要求，搅拌机搅拌叶公转慢速为（62±5）r/min、公转快速为（125±10）r/min、自轉慢速为（140±5）r/min、自转快速为（285±10）r/min，搅拌锅尺寸（内径×深度）为160 mm×139 mm;振实台符合建材行业标准《水泥胶砂试体成型振实台》（JC/T 682—2005）的要求;抗折试验机符合建材行业标准《水泥胶砂电动抗折试验机》（JC/T 724—2005）的要求;压力试验机采用TYE-3000型水泥胶砂抗压试验机;水泥为天瑞P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理力学性能指标见表1;粉煤灰为一级粉煤灰。

2.2 试验方案

根据《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999）[5]制备试件，试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，每一组成型试件制作3块，分别进行28、90、180 d龄期的强度试验。配合比根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）[6]进行设计，见表2（其中含泥量为占用砂量的百分比）。

参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671—1999），试验结果以每组3个试块测定值的算术平均值为准，若有超过算术平均值±10%的测定值则剔除此测定值，若剩余2个测定值中仍有超过算术平均值±10%的情况则此组试验结果作废。

随机取样进行SEM电镜试验，样本来自抗压试验破坏以后较为完整的碎块。试块尺寸小于10 mm，形状较规则，所观测的表面较平整，试验前喷金处理，喷涂厚度200～300 A。扫描电镜型号为JSM-6510LV。

3 结果分析

3.1 含泥量对强度的影响

试验结果见表3～表8。由表3～表5可知：胶砂的抗压强度随水胶比的增大而递减;不同水胶比、不同龄期胶砂抗压强度均随含泥量增大而降低，比如含泥量为50%的试件与不含泥（含泥量为0%）试件相比，水胶比为1.0时28、90、180 d抗压强度分别下降了42.33%、18.08%、32.05%，水胶比为1.4时28、90、180 d抗压强度分别下降了9.23%、15.32%、25.2%。

由表6～表8可知：随着水胶比的增大，胶砂抗折强度递减;不同水胶比、不同龄期胶砂抗折强度均随含泥量增大而降低，含泥量为50%的试样与不含泥（含泥量为0%）试件相比，水胶比为1.0时28、90、180 d抗折强度分别下降了55.35%、26.00%、20.00%，水胶比为1.4时28、90、180 d抗折强度分别下降了42.86%、22.76%、42.09%。

胶砂强度与含泥量负相关，即胶砂试件的强度随含泥量的提高而降低，主要原因是泥的比表面积较大，吸附较多水泥浆，砂表层水泥浆减少，同时若部分泥土微粒包裹着砂粒，形成没有强度的薄膜层，在一定程度上使细骨料与水泥之间的黏结力降低，从而影响胶砂强度[7-8]。

为了确定合理的含泥量，进行了显著性检验。显著性检验就是事先对总体（随机变量）的参数或总体分布形式作出假设，然后利用样本信息来判断这个假设（备择假设）是否合理，即判断真实情况与原假设是否有显著性差异[9]。因含泥量与胶凝砂砾石强度之间呈负相关关系，故显著性检验结果越显著，胶凝砂砾石材料性能越差。显著性检验结果表明，随着水胶比的增大，含泥量为10%的试件的抗压强度表现为无差异性，对抗折强度的影响越来越大，显著性越来越明显;在含泥量增大时，抗压强度和抗折强度显著性变化明显，当含泥量超出10%时对胶凝砂砾石材料的不利影响较大，应采取相应的措施，如骨料冲洗。因此，含泥量应控制在10%以内，此时含泥量对试件强度的影响可以降到相对较低的程度。

3.2 SEM电镜扫描结果

为了对比不同水胶比情况下含泥与不含泥的试块微观结构的区别，对水胶比为1.0和1.4的两组试件进行分析，分别取参照组AP0、EP0和含泥量30%组AP3、EP3进行电镜扫描分析，对试件进行放大1 000倍、3 000倍、5 000倍的SEM电镜扫描微观形貌，见图2。

由图2可以看出，AP3和EP3两组试块结构比较松散，存在粉体、孔洞和块状体，说明泥粉在试块内阻碍了胶凝材料的水化反应，导致整体结构性较差、强度较低。观察孔洞处SEM图像发现：针棒状纤维状物质为AFt（3CaO·Al2O3·3CaSO4·（30～32）H2O高硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石）;在孔洞内壁生成大量针状钙矾石，说明水化反应充分。研究表明，钙矾石的形貌受混凝土水灰比的影响，生成量随着水灰比的加大而增多。总体来看，随着AFm（3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O 低硫型水化硫酸铝钙晶体）的生成量增加，水化反应越来越充分，水泥浆体中主要物质为SiO2、C-S-H（xCaO·ySiO2·nH2O）水化硅酸盐钙）凝胶、F盐，原有CH（Ca（OH）2羟钙石） 和AFm被消耗，原有的片层状密实度较低的棒状、团簇状交叠结构转变，密实度AP0>AP3、EP0>EP3，充分证明了含泥量对结构的影响[10-12]。

4 结 论

泥在胶砂试块内部影响胶凝材料的水化反应，导致试块整体结构性变差、密实度和强度降低;随着含泥量的增加，胶砂试块强度降低，当含泥量在10%以下、水胶比为1.0左右时对胶砂试块强度影响最小，即含泥量小于10%时才能保证试块强度。

参考文献：

[1] 张恒春，季锡贤，唐方宇，等.凝灰岩石粉作为混凝土掺和料可行性试验研究[J].施工技术，2017，46（增刊1）：282-285.

[2] 冯炜，贾金生，马锋玲.胶凝砂砾石坝坝体和保护层材料的耐久性能研究[C]//第八屆全国混凝土耐久性学术交流会论文集.北京：中国土木工程学会，2012：161-167.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.建设用砂：GB/T 14684—2011[S].北京：中国标准出版社，2011：1-28.

[4] 郭磊，薛志龙，陈守开，等.基于预拌浓浆法的再生骨料混凝土性能试验研究[J].建筑材料学报，2017，20（6）：950-955.

[5] 国家质量技术监督局. 水泥胶砂强度检验方法：GB/T 17671—1999 [S].北京：中国标准出版社，1999：1-2.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 普通混凝土配合比设计规程：JG J55—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011：1-30.

[7] 杨建军，殷素红，王恒昌，等.细集料品质对C80 高性能混凝土性能的影响[J].混凝土，2008（11）：58-61.

[8] 吴永根，韩照，李建丰，等.含泥量对干硬性水泥胶砂性能的影响[J].混凝土，2012（9）：112-114.

[9] 张凤菊，刘晓娟，赵丽平，等.数据差异显著性检验[J].农机使用与维修，2012（4）：51-52.

[10] 庞宝君，王立闻，何丹薇，等.活性粉末混凝土高温后的扫描电镜试验研究[J].混凝土，2010（12）：27-30.

[11] 谢财奇，吴宇清.基于数字图像内核的再生混凝土氯离子扩散分析[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2016，37（2）：62-66.

[12] 袁润章.胶凝材料学[M].武汉：武汉理工大学出版社，1996：60-143.

【责任编辑 张智民】

收稿日期：2019-08-19

基金项目：国家重点研发计划项目（2018YFC0406803）

作者简介：郭磊（1980—），男，河南信阳人，副教授，博士，研究方向为水工建筑材料

通信作者：郭利霞（1982—），女，河南开封人，副教授，博士，研究方向为水工混凝土耐久性能及温控防裂

E-mail：280667919@qq.com