隨著高鐵、核電、港口、高層建筑等大型基建項目的發(fā)展，對混凝土的性能要求也越來越高。砂作為細(xì)骨料，是高性能混凝土中用量較大的原材料，砂的細(xì)度模式、含泥量、飽和面干吸水率等對拌合混凝土的工作性能和質(zhì)量均有很大的影響[1-3]。砂子細(xì)度模數(shù)大，拌合的混凝土易泌水、離析；砂子細(xì)度模數(shù)小，混凝土拌合時用水量大，坍落度保持能力差[4]；砂子含泥量大，泥組分吸附混凝土外加劑，使混凝土的坍落度損失加快，且含泥量大，會使混凝土的強(qiáng)度下降，影響混凝土的耐久性[5]；砂子的飽和面干吸水率大，會吸附部分拌合混凝土中的自由水，同樣使拌合混凝土的工作性能下降，且不同產(chǎn)地砂的細(xì)度模數(shù)、含泥量、飽和面干吸水率及泥的組分各不相同，本文以鄭徐客專工程中使用的駱馬湖砂為研究對象，分析其對拌合混凝土性能的影響及應(yīng)對措施。
1原材料與性能
1.1水泥
采用江蘇地區(qū)某水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5級水泥，其物理力學(xué)性能見表1。
1.2粉煤灰
采用山東地區(qū)某電廠Ⅱ級灰，其性能見表2。
1.3粗骨料
選用的碎石物理性能見表3。
1.4外加劑
聚羧酸減水劑ART-M11來自江蘇某新材料股份有限公司，其性能指標(biāo)見表4。
1.5功能助劑
聚丙烯酸鈉（PAA）來自江蘇某新材料股份有限公司，分子量5000，多分散系數(shù)為1.57。
腐殖酸鈉：產(chǎn)自成都某化工有限公司。
2混凝土試驗及分析
2.1混凝土試驗
混凝土配合比計算及試驗是參照JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，試驗中除砂不同外，其他材料均一樣。試驗用配合比見表5。
根據(jù)表5中的混凝土配比，分別采用駱馬湖砂和南京河砂進(jìn)行混凝土拌合試驗，測試0h、0.5h、1h時的坍落度和擴(kuò)展度，具體數(shù)值見表6。
從表6可以看出，外加劑摻量為膠凝材料的1.2%時，混凝土初始坍落度185mm，0.5h時混凝土坍落度為160mm，1h后坍落度僅為115mm，提高外加劑摻量至膠凝材料的1.8%，混凝土初始坍落度220mm，0.5h時混凝土坍落度為195mm，1h坍落度為185mm。通過混凝土試驗對比發(fā)現(xiàn)，采用駱馬湖砂拌合的混凝土坍落度損失較快，在0.5h喪失流動性，而采用南京河砂，拌合的混凝土在1h時仍有190mm的坍落度和495mm的擴(kuò)展度。
2.2結(jié)果分析
一般混凝土坍落度損失的原因主要有：①水泥細(xì)度及組分與外加劑適應(yīng)性；②混凝土拌合物的原材料及配合比的影響；③環(huán)境溫濕度影響。從本文混凝土性能對比試驗可以判斷主要是駱馬湖砂的原因。砂子對混凝土坍落度造成影響主要有：砂子中的含泥量、泥塊含量高或者細(xì)砂較多，或泥的成分特別吸附了大量的減水劑。減水劑在水泥漿中主要有三種存在狀態(tài)，一種吸附于水泥顆粒表面，起分散減水的作用；一種被水泥的水化層覆蓋；一種存在于水泥漿的溶液中。當(dāng)存在于溶液中的減水劑部分被砂子吸附掉時，致使水泥漿中提供持續(xù)吸附的外加劑變少，從而使混凝土坍落度及流動度損失變快；一是砂子本身吸水率大，吸附了較多的自由水，使拌合混凝土中的自由水變少，導(dǎo)致混凝土坍落度損失變快?；诖耍疚木婉橊R湖砂和南京河砂分別對含泥量、泥塊含量、細(xì)度模數(shù)和顆粒級配、砂飽和面干吸水率進(jìn)行了測試分析。
（1）含泥量分析。黏土的表面積大，對外加劑能產(chǎn)生大量的吸附，在建設(shè)用砂中規(guī)定粒徑小于75μm的顆粒均為泥，泥塊在混凝土拌合過程中也會分散成顆粒較小的泥，因此，依據(jù)GB/T14684-2011《建設(shè)用砂》中含泥量和泥塊含量測試方法，分別對駱馬湖砂和南京河砂的含泥量和泥塊含量進(jìn)行了測試，測得駱馬湖砂的含泥量為2.9%，泥塊含量0.23%；南京河砂的含泥量為2.8%，泥塊含量0.26%。駱馬湖砂和南京河砂均為Ⅱ級類別，且含泥量和泥塊含量較為接近。
（2）細(xì)度模數(shù)和顆粒級配分析。細(xì)度模數(shù)為表示砂粗細(xì)程度的指標(biāo)，細(xì)度模數(shù)大，砂子較粗，粒徑大，比表面積小，對外加劑的吸附較少；細(xì)度模數(shù)小，砂子較細(xì)，粒徑小，比表面積大，對外加劑的吸附相對較多。顆粒級配是指各種粒徑顆粒在骨料中
所占的比例，該比例采用規(guī)定孔徑的一組篩子的篩余量來表示，同樣依據(jù)GB/T14684-2011，測試了駱馬湖砂和南京河砂的細(xì)度模數(shù)，如表7所示。
通過累計篩余，計算出駱馬湖砂的細(xì)度模數(shù)為2.5，南京河砂的細(xì)度模數(shù)為2.7，從砂子的顆粒級配和細(xì)度模數(shù)角度分析，駱馬湖砂和南京河砂相比略微偏細(xì)。
（3）飽和面干吸水率分析。當(dāng)砂子具有一定的吸水率時，會逐步吸收新拌混凝土中的水分，致使混凝土坍落度及流動度損失加劇，基于此，進(jìn)一步測試了砂子的飽和面干吸水率，依據(jù)GB/T14684-2011中飽和面干吸水率的測試方法，分別測得駱馬湖砂和南京河砂的飽和面干吸水率為0.6%和0.7%，從測試結(jié)果可以看出駱馬湖砂吸水率不高，并非造成預(yù)拌混凝土坍落度損失過快的原因。
（4）砂子中泥量對外加劑的吸附。從砂子吸水率的角度看，駱馬湖砂吸水率為0.6%，屬于正常范圍，該砂子又使預(yù)拌混凝土的坍落度損失很快，由此判斷，該砂子吸附了較多的外加劑，致使溶液中提供持續(xù)吸附的外加劑變少，從而表現(xiàn)為混凝土坍落度損失，流動度變小。通過含泥量和泥塊含量的測試及細(xì)度模數(shù)測試，可以看出駱馬湖砂和南京河砂均較為接近，推測砂子中含泥的組分不同，造成了吸附上的差異，為此，分別采用75μm的篩子篩取砂子中的泥500g，混合混勻待用，進(jìn)行凈漿流動度試驗和膠砂試驗。
凈漿流動度試驗：分別取上述2種砂中的泥組分，外摻到水泥凈漿試驗中，觀察記錄不同含泥量情況下的凈漿流動性能。具體試驗方案為：基準(zhǔn)水泥300g，W/C=0.29，砂中的泥摻量為水泥質(zhì)量的3%，減水劑ART-M11的摻量為1.0%，分別測量水泥漿體初始（0min）、30min、60min、90min和120min的流動度。試驗結(jié)果見圖1。
從圖1可以看出，外摻水泥質(zhì)量3%的南京河砂，凈漿初始流動度為284mm，2h后流動度為181mm；摻駱馬湖砂時，凈漿初始流動度為272mm，2h后流動度為96mm，從凈漿流動度測試結(jié)果可以看出，摻駱馬湖砂時凈漿流動度損失較快，駱馬湖砂相對南京河砂吸附了更多的外加劑。
砂漿流動度試驗：采用基準(zhǔn)水泥，砂子采用添加了50g篩取過泥的標(biāo)準(zhǔn)砂，水泥用量為465g，水用量為155g，減水劑摻量為水泥用量的1.7%，參考GB/T17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法（ISO法）》進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表8。
從表8可以看出，摻加駱馬湖砂中的泥，膠砂初始流動度為180mm，1h后流動度為156mm，2h后流動度為114mm；摻加南京河砂中的泥，膠砂初始流動度為185mm，1h后流動度為175mm，2h后流動度為162mm，由本組對比試驗可以得出摻加同樣當(dāng)量的泥含量，駱馬湖砂中泥對外加劑的吸附更大。
通過凈漿流動度試驗和膠砂試驗結(jié)果可以判斷，駱馬湖砂使預(yù)拌混凝土損失過快的主要原因為砂中泥的組分不同，同時該砂的細(xì)度模數(shù)比南京河砂的細(xì)度模數(shù)偏小，這兩種因素共同作用導(dǎo)致了混凝土損失過快。
3應(yīng)對措施
由于駱馬湖砂中泥對外加劑的吸附較大，從表6可以看出，提高摻量至膠凝材料1.8%，混凝土初始狀態(tài)會泌水、離析，1h后混凝土坍落度為185mm，仍然損失較快，采用提高摻量的方法不能很好地解決混凝土坍落度保持的問題，本文的解決思路為摻加低分子量功能助劑，由于功能單體可以和泥有很好的吸附作用，且功能助劑相對聚羧酸減水劑分子量較小，在溶液中分子擴(kuò)散速率較快，因而功能助劑更易被砂中所含泥吸附，避免了一部分聚羧酸減水劑被吸附，從而改善混凝土的坍落度損失。低分子量聚丙烯酸鈉[6-8]、季銨鹽類低聚物、腐植酸鈉[9-10]這些功能助劑都可以和黏土有很好的吸附作用，本文分別試驗了不同功能助劑和減水劑復(fù)配下拌合混凝土的性能。
3.1摻不同比例聚丙烯酸鈉對混凝土工作性能的影響
基于前期的研究，本文選用分子量為5000的聚丙烯酸鈉（PAA）作為抗泥功能助劑，對不同摻量下的混凝土性能進(jìn)行了試驗，測試結(jié)果見表9。
由表9可見，當(dāng)減水劑摻量為膠材用量的1.2%，PAA摻量為膠材用量的0.2%時，混凝土初始坍落度190mm，擴(kuò)展度470mm，1h后坍落度為135mm，和表6中外加劑同樣摻量，但不摻聚丙烯酸鈉的混凝土結(jié)果相比，初始坍落度和擴(kuò)展度幾乎一樣，說明該聚丙烯酸鈉在減水能力的貢獻(xiàn)上幾乎可以忽略，1h后的混凝土坍落度保持能力增強(qiáng)，說明聚丙烯酸鈉和砂中的泥發(fā)生作用，阻止了部分減水劑分子被泥所吸附，從而使后期的坍落度保持能力增強(qiáng)。增大PAA摻量至膠凝材料的0.4%時，混凝土初始坍落度195mm，1h后坍落度為175mm，說明逐步提高聚丙烯酸鈉的摻量，對混凝土的初始狀態(tài)影響不大，但混凝土的坍落度保持能力逐步增強(qiáng)。提高減水劑的摻量，同時試驗了不同聚丙烯酸鈉摻量下的混凝土坍落度保持能力，當(dāng)減水劑的摻量為膠材用量的1.4%、PAA摻量為膠材用量的0.4%時，混凝土的初始坍落度為220mm，擴(kuò)展度為520mm，1h后混凝土的坍落度為205mm，擴(kuò)展度為495mm，坍落度及擴(kuò)展度損失較小，與PAA摻量為膠材用量的0.3%時差別不大，都能很好地滿足了鄭徐客專工程的施工需求。
3.2摻不同比例季銨鹽類低聚物對混凝土工作性能的影響
對于季銨鹽類低聚物，參考魯紅升[11]等人的文獻(xiàn)報道合成得到，產(chǎn)品編號為M，采用和上組試驗同樣的原材料及配合比，分別試驗了減水劑摻量為1.4%時，不同季銨鹽類聚合物摻量下的預(yù)拌混凝土性能，結(jié)果見表10。
由表10中混凝土數(shù)據(jù)可見，減水劑摻量為膠材用量的1.4%時，逐步增加季銨鹽類聚合物M的摻量，混凝土坍落度的保持能力逐步增強(qiáng)，當(dāng)季銨鹽類聚合物的摻量為0.4%時，混凝土1h前后的坍落度及擴(kuò)展度幾乎不變，也可以很好地滿足施工要求，但是摻量比聚丙烯酸鈉高。另外，在本組試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著季銨鹽類聚合物摻量的增加，拌合混凝土的初始坍落度及擴(kuò)展度逐步變小，分析原因為季銨鹽類聚合物和減水劑在復(fù)配時，季銨鹽類聚合物結(jié)構(gòu)中的季銨鹽類和減水劑結(jié)構(gòu)的陰離子之間能形成正、負(fù)電荷間的引力，使兩種物質(zhì)產(chǎn)生締合，這導(dǎo)致混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度略微變小。
3.3摻不同比例腐植酸鈉對混凝土工作性能的影響
腐殖酸鈉（NaC）含有較多的羥基、醌基、鄰位雙酚羥基、羧基等可與黏土吸附的官能團(tuán)，同時具有很大的內(nèi)表面積，使其對黏土具有較強(qiáng)的吸附作用，本文同樣試驗不同腐殖酸鈉摻量下拌合混凝土的性能。采用的原材料及配合比和上組試驗相同，試驗結(jié)果見表11。
通過表11可以看出，隨著腐殖酸鈉摻量的增加，拌合混凝土坍落度的保持能力逐漸下降，分析產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是由于腐殖酸鈉本身具有較大的內(nèi)表面積，對減水劑產(chǎn)生了一定的吸附，致使混凝土坍落度損失變快。
3.4摻不同功能助劑對混凝土強(qiáng)度的影響
進(jìn)一步測試了減水劑摻量為膠材用量的1.4%，聚丙烯酸鈉、季銨鹽類低聚物M和腐殖酸鈉（NaC）摻量為0.3%時的混凝土抗壓強(qiáng)度及含氣量，測試結(jié)果見表12。
通過本組混凝土試驗可以看出，摻加聚丙烯酸鈉的混凝土3d抗壓強(qiáng)度為18.5MPa，28d抗壓強(qiáng)度為44.1MPa，摻加季銨鹽類低聚物M的混凝土3d抗壓強(qiáng)度為19.2MPa，28d抗壓強(qiáng)度為45.7MPa，摻加腐殖酸鈉的混凝土3d抗壓強(qiáng)度為18.9MPa，28d抗壓強(qiáng)度為44.6MPa，均滿足混凝土設(shè)計要求，就這兩種功能助劑對比分析，摻加季銨鹽類低聚物的混凝土平均抗壓強(qiáng)度要比摻加聚丙烯酸鈉和腐殖酸鈉的高1～2MPa，含氣量也比摻加聚丙烯酸鈉的高0.3%，說明季銨鹽類低聚物效果更佳。
4結(jié)論
（1）測試了駱馬湖砂和南京河砂在同樣外加劑摻量下的混凝土坍落度保持性能，采用南京河砂，混凝土坍落度保持能力強(qiáng)，1h損失10mm；采用駱馬湖砂，混凝土坍落度1h損失70mm。
（2）對比分析了駱馬湖砂和南京河砂的含泥量、泥塊含量，細(xì)度模數(shù)，飽和面干吸水率及砂中的泥對凈漿和砂漿的影響。
（3）試驗了復(fù)配聚丙烯酸鈉、季銨鹽類聚合物M和腐殖酸鈉的混凝土坍落度保持能力，在減水劑摻量為膠材用量的1.4%、聚丙烯酸鈉摻量為0.3%或季銨鹽類聚合物M的摻量為0.4%時，混凝土坍落度具有較好的保持能力，1h幾乎不損失，摻加腐殖酸鈉后，混凝土坍落度損失變快。
（4）測試了摻加聚丙烯酸鈉和季銨鹽類聚合物M后的混凝土抗壓強(qiáng)度及含氣量，摻加聚丙烯酸鈉的混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到44.1MPa，含氣量為2.7%；摻加季銨鹽類聚合物M的混凝土28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到45.7MPa，含氣量為2.9%。
