外掺高倍吸水材料改性机制砂砂浆性能研究

赖增伟，蓝日彦

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

随着我国经济的快速发展，建筑和道路工程行业的建设步伐日益加快，使得天然砂石一直处于高开采、高消耗的趋势[1-2]。2019年，我国砂石骨料的年消耗量约为210亿t，不仅导致天然砂石资源的枯竭和价格上涨，而且还对我国江河水系的生态、防洪堤岸以及桥梁等造成严重的影响[3-4]。随着国家环保部门对自然资源的保护力度日益加大，使用机制砂替代天然砂已成为混凝土行业发展和研究的重要焦点。

机制砂是由机械设备破碎、筛分后的粒径<4.75 mm的颗粒[5-6]。机制砂的生产工艺导致其颗粒表面粗糙、多棱角、级配差，而且常伴有大量的粒径<75μm的石粉产生，使其在砂浆及混凝土应用过程中出现工作性能变异大、力学性能以及耐久性能降低的问题[7-8]。刘凯等[9]的研究结果表明石粉含量占胶凝材料的7%时，所制备的混凝土的抗压强度达到最高，且石粉含量>8.1%时，会对强度产生较大的影响。何世钦等[5]研究发现机制砂中的石粉含量在10%左右时对砂浆和混凝土的流动性和黏度具有不利影响，容易使拌和物流动性能降低。乔金丽等[10]发现机制砂中石粉掺量在6%时，制备的C80机制砂混凝土工作性和强度达到最佳，继续增加其掺量会使混凝土的性能降低。宁成晋等[11]研究发现当石粉含量在7%以下时，采用矿粉与粉煤灰复掺后可制备出坍落度为180 mm、扩展度为500 mm以上的机制砂高性能混凝土。因此，针对石粉含量较高的机制砂混凝土使用问题，目前的研究仅仅局限于研究石粉对其性能的改善，而研究吸水树脂掺入后对机制砂混凝土性能影响的较少。吸水树脂作为一种新型的外加剂，其具有良好的保水能力，吸水后能在其内外环境出现渗透压差时释放出水分，提高浆体的流动性，起到一定的养护作用[12-15]。李发平等[16]研究发现随着高吸水树脂掺量的增加，水泥砂浆的流动度增大。本研究为室内试验，通过引入高倍率的吸水树脂来研究其对掺石粉水泥净浆分散性、流动性和机制砂砂浆流变性的影响，同时研究一定石粉掺量下其对机制砂砂浆力学性能的影响，从而为机制砂的应用提供一定的参考依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

(1)水泥：采用海螺普通硅酸盐水泥P.O 42.5，平均粒径为24.31μm，其主要技术指标见表1。

表1 水泥的主要技术指标表

(2)吸水树脂：白色颗粒，其吸水倍率为250，平均粒径为285μm，挥发物含量为2.5%，氯离子含量为0.04%，试验中的掺量是以水泥质量为基准，采用外掺法。

(3)石粉：其材质与细集料相同，通过机制砂筛分出粒径<0.075 mm的颗粒，其掺量也是以水泥质量为基准，采用外掺法。

(4)细集料：经石灰岩破碎后形成的机制砂，细度模数为2.8，石粉含量为4%。

(5)外加剂：采用巴斯夫的聚羧酸粉体减水剂，减水率为25%以上。

1.2 实验方案及方法

1.2.1 水泥净浆分散程度的测定

水泥为100 g，水为300 g，石粉为6 g，然后分别按照吸水树脂掺量为0、0.05%、0.10%、0.15%、0.2%及0.25%的比例依次称取测试。首先将称取完毕的水泥、石粉和吸水树脂加入水泥净浆搅拌锅中慢速搅拌30 s使其混合均匀，加入水后继续快速搅拌120 s制备成水泥混合浆体，量取适量的浆体倒入离心管中，在高速离心机3 000 r/min的转速下离心10 min，收取一定量上清液，然后用孔径为0.45μm的微滤膜过滤除去杂质，稀释一定倍数后采用上海屹谱仪器制造有限公司生产的紫外-可见分光光度计(UV法)测量在特定吸收波长下的吸光度，并根据吸光度的变化判断其分散程度，试验最大吸收波长676 nm为测试特定波长。

1.2.2 水泥净浆流动性的测定

首先按照表2的比例称取材料，再将称取的水泥、石粉和吸水树脂加入水泥净浆搅拌锅中慢速搅拌30 s使其混合均匀，然后加入水后继续慢速搅拌120 s后停15 s，接着快速搅拌120 s制备成水泥混合浆体，并按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T8077-2000)测试水泥净浆的流动性。

表2 水泥净浆实验方案表

1.2.3 机制砂砂浆的流变性及力学性能测定

首先按照表3的比例称取材料，然后将称取的水泥、减水剂、石粉、吸水树脂和机制砂依次缓慢加入水泥胶砂搅拌锅中慢速搅拌60 s使其混合均匀，接着将水加入(防止飞溅)继续慢速搅拌60 s后停15 s，再快速搅拌120 s制备成机制砂砂浆：(1)将制备的机制砂砂浆采用旋转流变仪测定浆体在各剪切速率下的剪切应力值，并通过软件进行数据处理，得到相应的屈服应力和塑性黏度值，每组测量两次，取平均值；(2)将制备的机制砂砂浆立即装入(40×40×160)mm的模具振实后放入标准养护箱中养护24 h脱模，脱模后继续自然养护至相应龄期并按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GBT17671-1999)进行测试。

表3 机制砂砂浆实验方案表

2 结果与讨论

2.1 吸水树脂对水泥净浆浆体分散性的影响

图1为特定波长676 nm下测得的水泥复合浆体吸光度随吸水树脂掺量的变化曲线图。从图1可以看出，当吸水树脂掺量为0.15%时，其吸光度最大，水泥混合体系中加入吸水树脂后，体系的吸光度明显大于未掺吸水树脂时的吸光度，并且在石粉掺量确定的条件下，水泥混合体系的吸光度随着吸水树脂掺量的增加呈现先增大后降低的趋势。原因是：(1)由于一定掺量的吸水树脂作为表面活性剂，其在体系中吸水膨胀后形成凝胶颗粒，在搅拌机的拌和下能够被分散，起到润滑的作用，减小水泥浆体颗粒之间的运动阻力，改善了水泥混合体系的分散性[14]；(2)过量的吸水树脂会使吸水量增加，导致体系中的自由水减少，进而使得其润滑的效应小于体系自由水减小所带来的负面效应，使得水泥混合体系的分散性降低。这表明一定量的吸水树脂能从整体上改善水泥混合体系的分散性，过量的吸水树脂会对体系的分散性造成影响。

图1 特定波长676 nm下水泥混合浆体吸光度随吸水树脂掺量变化的曲线图

2.2 吸水树脂对水泥净浆流动性及砂浆流变性能的测定

图2是水泥复合浆体流动性随吸水树脂掺量变化的柱形图，表4是吸水树脂不同掺量下机制砂砂浆浆体流变性能的试验结果。从图2中可看出水泥浆体的流动性随着吸水树脂掺量的增加先逐渐增加后降低，当吸水树脂掺量为0.15%时，流动度达到了141.2 mm，较未掺吸水树脂的流动度118 mm增加了19.7%，但继续增加其掺量，流动度呈现出降低的趋势，在掺量为0.25%时，其流动度下降到111.5 mm，这与吸水树脂掺入后对水泥浆体的分散性影响结果一致。而且从表4的机制砂砂浆流变试验结果中也可以看出随着吸水树脂掺量的增加，机制砂砂浆浆体的屈服应力和黏度均呈现出先减小后增加的趋势，屈服应力和黏度的减小表明机制砂砂浆浆体在发生初始流动时所需要克服的最大阻力在变小，其只需在较小的剪切应力下就能发生形变，流动性好，反之需要在较大的剪切应力下才能发生形变。

图2 吸水树脂对水泥混合浆体流动性的影响柱形图

表4 掺加吸水树脂的机制砂砂浆流变性能的试验结果表

2.3 吸水树脂对不同龄期试样力学性能的影响

吸水树脂不同掺量下机制砂砂浆试样抗折强度的变化见图3，吸水树脂不同掺量下机制砂砂浆试样抗压强度的变化见图4。从图3中可以看出未掺吸水树脂和掺入吸水树脂的机制砂砂浆的抗折强度均随养护龄期的增加而逐渐增加。3 d龄期下，随着吸水树脂的掺量增加，抗折强度先增加后降低，最大为4.4 MPa。继续养护至28 d龄期时测试发现，相较于未掺吸水树脂的机制砂砂浆抗折强度，掺入吸水树脂的几乎无明显增长趋势，且掺量增加至0.2%以上时，抗折强度出现小幅度下降趋势。从图4中可以看出未掺吸水树脂和掺入吸水树脂的机制砂砂浆的抗压强度均随养护龄期的增加而逐渐增加。并且在相同龄期下，随着吸水树脂掺量的增加，抗压强度出现先升高后降低的趋势，但均有一定程度的提升。在吸水树脂掺量为0.1%和0.15%时，28 d龄期时抗压强度均达到40 MPa以上，继续增加其掺量至0.2%以上时，抗压强度出现下降趋势。这是由于在养护早期，较少量的吸水树脂掺入后吸取自由水，使得体系中的水减少，水胶比降低，从而使得材料在一定的水灰比范围内密实度增加，早期强度得以提升[15][17]。而随着自然养护龄期的增加，水泥不断地水化消耗体系中的水，导致吸水树脂向外不断“释放”水分，使未水化的水泥继续水化生成水化产物，填充因其释放水分而产生的少量孔隙，密实度继续增加，使得后期强度仍有一定的提升。但过量的吸水树脂掺入后吸水量可能过大，导致水胶比过低，材料的密实度降低，内部产生更多的孔隙和缺陷，使得强度也随之降低[18]。

图3 吸水树脂对机制砂砂浆抗折强度的影响柱形图

图4 吸水树脂对机制砂砂浆抗压强度的影响柱形图

3 结语

(1)适量的吸水树脂掺入能改善水泥混合体系的分散性。在石粉掺量确定的条件下，其吸光度随着吸水树脂掺量的增加先增大后降低，当其掺量为0.15%时，吸光度最大，分散性最佳。

(2)在石粉掺量确定的条件下，水泥净浆混合体系的流动度随吸水树脂掺量的增加先增加后降低，吸水树脂掺量为0.15%时的流动度较未掺吸水树脂的增加了19.7%，并且机制砂砂浆的屈服应力和黏度也最小，其在一定剪切应力下形变能力较好。

(3)掺入吸水树脂后，其对机制砂砂浆抗折强度的影响主要表现在早期，养护至3 d时，抗折强度随着其掺量增加先增加后降低，且掺量在0.2%以上时，抗折强度出现小幅度下降。

(4)随着吸水树脂掺量的增加，机制砂砂浆抗压强度出现先升高后降低的趋势；在吸水树脂掺量为0.1%和0.15%时，28 d龄期时抗压强度均达到为40 MPa以上，继续增加其掺量至0.2%以上时，抗压强度出现下降趋势。