微骨料对水泥浆体工作性及其经时稳定性的影响

刘津成,周新刚,连业辉

(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)

随着砂石资源的匮乏及机制砂、混合砂的广泛应用,砂石质量控制成为预拌混凝土行业面临的重大问题与挑战。预拌混凝土用砂石有很多质量要求及其控制指标,其中泥粉含量是十分重要的质量控制指标。泥粉不仅影响混凝土拌合物的性能,也影响硬化混凝土的性能。很多研究者在泥粉的性质、泥粉对水及外加剂的吸附作用及其机理等方面做了大量的研究[1-6]。然而实际骨料中的微细颗粒成分十分复杂,并非单纯的微细黏粒-泥粉。骨料中小于75 μm的微细颗粒的矿物成分,既有与母岩性质相同的原生矿物-石粉,也有经多种风化作用的次生矿物-泥粉。石粉主要是碳酸盐或硅酸盐类矿物粉碎后形成的微细颗粒,它在混凝土中具有填充作用,对水及外加剂的吸附作用很小,对混凝土性能的影响也不大,如考虑其填充和晶核作用,还有有利的一面[7]。泥粉是次生矿物,由硅氧四面体和铝氧八面体组成[8-9]。不同的构建方式,形成不同性质的黏粒,如蒙脱土(石)、高岭土(石)和伊利土(石)等。因此,区分微细骨料的性质及矿物成分,对研究和讨论其对混凝土性能的影响十分重要,不能简单地用泥粉或石粉定义实际骨料中的微细颗粒。这些微细颗粒的矿物成分及其性质具有泥粉和石粉的混合特征,其混合成分及比例的不同又会显著影响其性质,最终影响混凝土的性能。实际生产中很难将微细骨料的成分及比例严格地区分,规范[10]中用MB值简单地判断微细骨料的性质、制定相应的控制标准,规定MB值大于1.4为泥粉,其含量不超过5%为砂含泥量的控制指标。这种规定对于控制骨料中微细颗粒的含量有一定的意义,但并不能准确地反映微细骨料的性质及其对混凝土性能的影响程度[11-15],也没有建立MB值及微细颗粒含量与拌合物性质之间的关系。

本文选择325目蒙脱土、325目高岭土、325目伊利土三种典型的黏土,以及铁尾矿、金尾矿、石材锯屑、天然河砂和两种机制砂中筛分出的微细颗粒为原料,制作MB值测试溶液,研究MB值与微细颗粒性质及其细度之间的关系。然后,将一定含量的不同微细颗粒掺加到水泥中,制作水泥浆体,研究掺加各种微细骨料水泥浆体的流动度、稠化度及流变黏度,分析讨论不同微细颗粒对浆体工作性、经时稳定性、流变黏度及其之间的变化规律。

1 微骨料物理特性分析

在研究微骨料对浆体工作性及其经时稳定性前,首先研究几种微骨料的微观形貌、比表面积、粒度分布等物理特性。

1.1 微观形貌

试验中使用的各种微骨料的微观形貌特性见图1。从扫描电镜揭示的微骨料的颗粒形貌特征可见,蒙脱土大颗粒表面有絮状物包裹,高岭土大颗粒表面有细小颗粒集聚,伊利土颗粒较均匀,表面光滑、无包裹物。石材锯屑颗粒分布连续,大颗粒表面有细小颗粒附着,小颗粒附着在大颗粒表面的紧密程度比蒙脱土和高岭土弱。尾矿大颗粒表面光滑,无更微细的颗粒附着。河砂或机制砂筛分出的微细颗粒表面都有些片状结构,但没有微细颗粒附着,来源于不同的河砂或机制砂,微细颗粒表面的形态有所不同。

图1 微骨料微观形貌

1.2 比表面积分析

表1为试验用各种微骨料比表面测试结果,测试方法为BET方法。从比表面测试结果看,325目蒙脱土的比表面积较小,平均孔容也最小,平均孔径较大,其他的微细骨料比表面积都较大,基本在50～70 m2/g之间,平均孔容较大,平均孔径较小(伊利土除外)。

表1 微骨料的基本表面及孔隙特性

1.3 粒度分布分析

对试验用微细骨料进行粒度分析,粒度分布见表2和图2。从粒度分布看,蒙脱土、高岭土、伊利土0～10 μm颗粒的占比43%～49%,石材加工产生的石材锯屑46%左右,其他的占比仅有10%～20%左右;而对于大于60 μm的颗粒,来源于河砂、机制砂、尾矿等微细骨料,其含量则较高。说明对于小于75 μm的微细骨料而言,不同的来源及其矿物成分,其粒度分布也是不同的。次生矿物的黏粒更细,而原生矿物中微细颗粒相对粗一些。河砂及机制砂中的微细颗粒有两种成分:次生矿物黏粒和原生矿物的石粉粒。累计粒度粒径d10、d50、d90分别表示累计粒度分布数达到10%、50%、90%所对应的粒径。

表2 微骨料粒径区间分布

图2 微骨料颗粒粒度分布

2 微细骨料MB值测试结果

将微细骨料加入水中充分搅拌制成悬浊液,测试微细骨料颗粒对亚甲蓝的吸附量,并用MB值表征[16]。表3为实测结果。从表3可见,蒙脱土、高岭土的MB值非常大,而伊利土虽然也是次生矿物,但其MB值相对很小。石材加工产生的石材锯屑微骨料,其MB值只有0.7,属于原生矿物石粉。金尾矿的MB值也不大,低于1.4,基本属于原生矿物石粉,混合次生矿物成分量很微小。铁尾矿MB值稍大,为2.7,但比河砂和机制砂小,说明来源于铁尾矿的微细骨料主要成分仍然是原生石粉,但混有一定比例的次生黏粒。机制砂和河砂的微细颗粒中,既有黏粒,也有石粉粒。机制砂、河砂的MB值大小,取决于微细骨料中次生及原生矿物成分的比例,以及是否经过水洗等加工处理。MB值大小一定程度也与颗粒的微观形貌特征有关。细成分越多,黏粒含量越高,或附着在大颗粒表面的黏粒含量越高,其MB值越大。

表3 微骨料MB值

3 浆体工作性及其经时稳定性试验设计及其参数

本文研究微细骨料对水泥浆体流动度及其经时稳定性的影响。试验用水泥为P.O42.5水泥,其化学组分见表4。水泥浆体的水胶比为0.29,聚羧酸外加剂的掺量为1.5%(水泥质量)。外加剂的掺量为饱和掺量。在正式试验前,在0.29水胶比情况,试验确定对浆体流动度不再增加的最大外加剂掺量,即为外加剂的饱和掺量。在配比中,蒙脱土的掺量为水泥质量的0.5%、1.0%、1.5%、5.0%,其他的掺量均为5.0%。

表4 水泥的化学组分

空白试件及掺各种微细骨料的配比见表5。表中空白试件的水胶比为W/C(水/水泥),其他掺加微细骨料的水胶比为W/(C+m)(水泥+微细骨料),空白试件和掺加微细骨料的水胶比都是0.29,外加剂掺量均为1.5%。外加剂的固含为10%,水胶比计算中考虑了外加剂中的水。

表5 水泥微骨料浆体试验配比设计

试验用Marsh筒法测试100 mL水泥浆体的流动度(浆体搅拌后的即时流出时间)T30s,同时使用REEDEA-NDJ8S型高精度流变仪测试其流变黏度,流变黏度测试总时长为4 min,其中0至25 s转速线性增加至60 r/min,25至120 s转速先保持不变,随后转速呈现阶梯式下降,每个转速台阶保持30 s,最终测试得到浆体流变黏度。测试完流动度后,静置30 min,再用Marsh筒测其流动度(静置30 min后的流出时间)T30min。定义T30min与T30s的比值为稠化度C,以表征浆体的经时稳定性。

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4 浆体工作性及其经时稳定性试验结果及分析

由前所述,微细骨料种类及来源不同,MB值不同。表6的试验结果表明,具有不同MB值的微细骨料掺加到水泥浆体中,在相同水胶比的情况下,其流动度产生了不同程度的差异。

表6 水泥微骨料浆体工作性试验结果

微细骨料的MB值比较小时,对水泥浆体的T30s影响不大,对经时流变稳定性影响也不大(图3)。稍有不同的是,加入这类MB值较小的微骨料后,水泥浆体的流变黏度会有所增加(图4)。说明MB值较小的微细颗粒,对水和外加剂吸附作用很小,掺入水泥浆体后,低MB值微细颗粒分散在其中,浆体中固体颗粒增多,形成凝聚体,流变黏度增大。

图3 低MB值微细骨料与浆体稠化度

图4 低MB值微细骨料与浆体流变黏度

由表6和图5可知蒙脱土掺量为水泥质量的0.5%时(M01),对水泥浆体的T30s影响不大,但流变黏度略有增加;掺量增加到水泥质量的1.0%(M02)时,水泥浆体流动度显著降低,经时后完全失去流变性,流变黏度显著增加;当掺量增加到水泥质量的1.5%以上时,水泥浆体完全失去流动性。随着蒙脱土掺量的增加,水泥浆体的流变黏度显著线性增长,增长趋势见图5。蒙脱土MB值极高,对水和外加剂吸附作用极大,在浆体中掺入水泥质量1.0%时即对工作性及其经时稳定性产生显著影响,主要由于蒙脱土自身特性,如阳离子交换能力强、晶层结构联结力弱且层间距大等导致的。

图5 蒙脱土掺量与浆体流变黏度

试验用高岭土虽然MB值也极高,但掺量为水泥质量的5.0%时(K01),水泥浆体仍具有流动度,影响的只是流变性的经时稳定性。掺入高岭土后,水泥浆体的流变经时稳定性较差,导致浆体经时后完全失去流动度,其流变黏度也显著增加。伊利土虽然属于次生矿物,但其MB值较小,掺入水泥浆体后(I01),对浆体的T30s影响较小,对浆体经时稳定性稍有影响。高岭土和伊利土虽然都属于次生矿物黏粒,但其MB值差别较大,对水和外加剂的吸附作用有显著差异,主要与其自身的晶体结构有关。

MB值较大的河砂微细颗粒和机制砂微细颗粒掺入水泥浆体,对浆体T30s影响不大,主要影响浆体的经时稳定性(图6),对流变黏度有一定影响,当微细颗粒MB值在6至8时,浆体流变黏度增加一倍左右(图7)。说明MB值较大的微细颗粒,性质类似高岭土的次生矿物黏粒含量增多,吸附浆体中的水和外加剂,对浆体的经时稳定性产生了不利影响,同时在浆体内形成了更多凝聚体,流变黏度显著增大。

图6 高MB值微细骨料与浆体稠化度

图7 高MB值微细骨料与浆体流变黏度

掺入水泥质量5%的不同MB值微细骨料颗粒时,除掺入蒙脱土的水泥浆体失去流动度外,其他对水泥浆体的T30s影响并不显著,与微细骨料的MB值没有显著的关系,掺入铁尾矿微细骨料颗粒的流出时间最长达52.2 s,是除蒙脱土外的最大者,如图8。虽然MB值较低时对流动度的影响不大,但对经时稳定性的影响却比较显著。

图8 不同MB值微骨料对浆体即时流出时间的影响

从图9所示的稠化度试验结果看,掺加两种MB值极高的蒙脱土(M04)和高岭土的浆体,在静置30 min后,完全失去流变性,含有水泥质量5%高岭土和含5%蒙脱土的水泥浆体,其浆体的流变黏度分别为4 062 mPa·s、40 701 mPa·s,是纯水泥浆体的60多倍和600多倍。 掺加MB值为8.3的河砂微细骨料的浆体,静置30 min后的稠化度随着静置时间的延长,流变性显著降低;掺加其他几种MB值在0.7～6.7之间的微细骨料的浆体,静置30 min的稠化度均比纯水泥浆体的稠化度略高。金尾矿、铁尾矿的MB值不高,主要成分为石粉,掺加金尾矿、铁尾矿的浆体的稠化度较低(小于1.0)。图10为掺加水泥质量5%的具有不同MB值微细骨料水泥浆体流变黏度与纯水泥浆体的比值,其比值基本在4～6之间。说明对一些不含黏性颗粒,或黏性颗粒含量较少、MB值不高的微细骨料,掺加到水泥浆体中,虽然对浆体流动度、稠化度影响并不十分显著,但比较显著地增加流变黏度,即可以改善浆体的黏聚性,且MB值越大,流变黏度增加越明显。

图9 不同MB值微骨料对浆体稠化度的影响

图10 不同MB值微骨料对浆体流变黏度的影响

5 结 论

混凝土砂石骨料中的微细颗粒由原生矿物(石粉)和次生矿物(泥粉)组成。原生矿物的成分与母岩一致,对水与外加剂的吸附作用很小。次生矿物属于黏粒,粒径较小,表面特征及比表面积等物理参数与石粉有显著差别,对水及外加剂的吸附作用大。黏粒种类不同、MB值不同,对水泥浆体工作性的影响也不同,蒙脱土影响最大,高岭土次之,伊利土虽然也属于次生矿物黏粒,但MB值较小,对水泥浆体流动性的影响与石粉相近。金尾矿、铁尾矿的主要成分属于石粉,MB值不大,对水泥浆体工作性的影响也不显著,但铁尾矿的MB值较金尾矿大、黏粒成分相对较多,对浆体的影响也稍大。河砂及机制砂微细颗粒的MB值变化幅度较大,说明来源及加工处理工艺不同,其黏粒含量有差别,MB值大的次生矿物黏粒含量高。试验结果表明,河砂、机制砂微细颗粒的MB值在3.3～6.7之间,其T30s、稠化度与空白试件的比值分别在1.0～1.03、1.02～1.45之间,影响并不显著,对工作经时稳定性的影响高于对流动度的影响;流变黏度的比值在4～6之间,掺加微细骨料的浆体,其流变黏度明显高于纯水泥浆体,说明掺加黏粒含量低、MB值小的微细骨料后,浆体的流动度、稠化度变化不明显,但可以改善浆体的黏聚性。