黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂和混凝土性能的影響

賴廣興，方云輝，張偉松，劉木林，賴華珍

（1.科之杰新材料集團有限公司，福建 廈門 361101；

2.廈門理工學院，福建 廈門 361004）

黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂和混凝土性能的影響

賴廣興1，方云輝1，張偉松2，劉木林1，賴華珍1

（1.科之杰新材料集團有限公司，福建 廈門 361101；

2.廈門理工學院，福建 廈門 361004）

通過摻加不同黏土的膠砂和混凝土試驗，研究不同黏土對聚羧酸減水劑分散性能及混凝土強度和耐久性的影響，為配合比優(yōu)化設計及混凝土質量控制提供參考。從實驗結果可知，蒙脫土由于具有復層式結構且層間距大，對聚羧酸減水劑分散性能及混凝土強度和耐久性的影響最大；而在一定摻量下，加入伊利土可提高膠砂和混凝土的流動性，對混凝土強度及耐久性的影響較小。

黏土；膠砂；混凝土；強度；耐久性

混凝土是當今世界上用量最大、用途最廣的人造材料之一，而減水劑作為配制高性能混凝土的關鍵材料之一，是制備現代高性能混凝土不可缺少的組分，其可以改善新拌混凝土的工作性，提高混凝土的力學性能和耐久性[1-2]。聚羧酸減水劑與其它減水劑相比具有低摻量[3]、高減水率、強分散性等諸多優(yōu)點[4-5]，具有環(huán)保優(yōu)勢特點，符合現代化工程建設的需要。

砂石是現代建筑施工中不可缺少的材料，亦是混凝土中重要的材料組成，隨著日益加大的基礎設施建設的投資，砂石的用量日益增多[6]。砂石中常?；煊幸恍┯泻﹄s質，泥是最常見的一種，它對混凝土的質量影響顯著。泥的主要成分為黏土，如高嶺土、伊利石、蒙脫土等[7]。不同的黏土礦物組分對不同種類減水劑的使用會產生不同影響，在使用過程中，需要考慮黏土帶來的負面影響。

目前，針對黏土對聚羧酸減水劑性能的影響及影響機理研究較多，但關于黏土對摻聚羧酸減水劑混凝土性能的影響則缺少系統的研究。因此，如何正確認識砂石中黏土對混凝土性能的影響，并總結其對混凝土性能的影響規(guī)律十分必要。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：閩福牌P·O42.5R水泥，主要性能指標見表1；聚羧酸減水劑：科之杰新材料集團有限公司生產，含固量49%，0.4%摻量下減水率為30%；細骨料：膠砂實驗用廈門艾思歐標準砂有限公司生產的ISO標準砂，混凝土實驗用砂為河砂，中砂，細度模數為2.6，未洗砂含泥量1.5%，洗凈砂含泥量為0；粗骨料：粒徑5～10、10～20 mm連續(xù)級配的小、大碎石，清洗并曬干；高嶺土：靈壽縣健石高嶺土廠，300目；蒙脫土：深圳市華南鑫陽科技有限公司，300目；伊利土：萊蕪市安順工程材料有限公司，300目；篩分土：將河砂用0.08 mm篩子篩出的土。

表1 水泥的主要性能指標

1.2 性能測試方法

膠砂流動度及強度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試；混凝土工作性能和強度：分別參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》進行測試；混凝土碳化性能：參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 黏土對膠砂流動度的影響

空白組膠砂配合比為水泥450 g，標準砂1350 g，水195 g，減水劑1 g?？瞻捉M不摻加黏土，其它組分別由蒙脫土、高嶺土、篩分土、伊利土取代部分標準砂。不同黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響如圖1所示。

由圖1可以看出，4種黏土中，蒙脫土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度劣化影響最大，高嶺土次之，伊利土和篩分土對膠砂流動度的影響較小。

圖1 不同黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響

黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響主要原因為：一是膠砂里的拌合用水會被黏土吸附；二是膠砂里的聚羧酸減水劑會被黏土吸附，導致聚羧酸減水劑的分散作用被減弱。聚羧酸減水劑通過吸附-分散作用來發(fā)揮其減水作用，其減水率高，在混凝土中的摻量一般較低。所以，黏土吸附聚羧酸減水劑的能力對摻聚羧酸減水劑膠砂流動性的影響極其重要。部分學者前期研究發(fā)現，聚羧酸減水劑被蒙脫土強烈吸附，當混凝土中有蒙脫土存在時，摻加的聚羧酸減水劑分子幾乎都被蒙脫土所吸附，無法發(fā)揮聚羧酸減水劑的減水分散作用。高嶺土吸附拌合用水和聚羧酸減水劑分子的能力也較強，對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響僅次于蒙脫土。本實驗篩分土是河砂用0.08 mm的篩子篩出來的，成分比較復雜，除了黏土之外還有一些別的雜質，對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響較小。伊利土吸附膠砂拌合用水的能力較差，對聚羧酸減水劑的吸附能力也不強，對摻聚羧酸減水劑膠砂流動度的影響較小。本研究發(fā)現，當伊利土摻量達20 g時，膠砂流動度反而比未摻伊利土的流動度更大，具體的原因和機理還有待進一步研究。不同黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動性劣化影響大小排序為：蒙脫土＞高嶺土＞篩分土＞伊利土。

2.2 黏土對膠砂試塊抗壓強度的影響（見圖2）

圖2 黏土對膠砂試塊不同齡期抗壓強度的影響

從圖2可以看出，摻加黏土后對膠砂試塊抗壓強度均有較大的負面影響，不同齡期的抗壓強度較空白樣均有不同程度的下降，特別是摻加蒙脫土后抗壓強度降低的最為顯著，其膠砂抗壓強度在所有樣品中最低，且隨著蒙脫土摻量的提高，抗壓強度隨之下降。摻加高嶺土次之，同樣隨著其摻量的提高，抗壓強度隨之降低。摻加伊利土對膠砂試塊3 d抗壓強度基本沒有影響，當伊利土摻量達到20 g時，膠砂的抗壓強度甚至較空白樣還略有提高，但對膠砂試塊7 d、28 d抗壓強度影響較大。在摻加這幾種黏土中，篩分土對膠砂試塊抗壓強度的影響最小?？傮w來說，不同黏土對膠砂試塊抗壓強度劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土。

2.3 不同黏土對混凝土工作性能的影響

通過摻加不同種類的黏土來考察黏土對新拌混凝土工作性能的影響，其中黏土取代部分的河砂，摻量為河砂質量的1.2%。C35混凝土的試配配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（河砂）∶m（小石）∶m（大石）∶m（水）=360∶770∶310∶728∶164，聚羧酸減水劑摻量為水泥質量的0.38%，實驗結果見表2。

表2 不同黏土對混凝土工作性能的影響

從表2可以看出，當河砂中黏土含量為1.2%時，對新拌混凝土的流動性即產生了嚴重的影響。未摻加黏土的新拌混凝土和易性良好，初始擴展度達520 mm，放置1 h后，依然還有450 mm擴展度。摻加篩分土和高嶺土后，混凝土的初始擴展度均有明顯的下降，放置1 h后，僅剩下坍落度，無擴展度，高嶺土拌制的混凝土流動性較篩分土降低的更為明顯。

摻加蒙脫土后，新拌混凝土則基本上沒有流動性，這是因為蒙脫土不僅對聚羧酸減水劑強烈吸附，而且對水也強烈吸附，首先，蒙脫土具有復層式的結構，層間距也較大，大量水分子進入晶片層后，與其氧原子形成氫鍵，引起晶格膨脹，其次蒙脫土帶有大量的負電荷，能吸附等量的水化陽離子，增大層間距引起肉眼可見的膨脹，甚至解離形成各向同性凝膠，吸附更多的拌合用水，此外，由于蒙脫土帶有大量的負電荷，也可能發(fā)生團聚，包裹一定水分。因此，少量的蒙脫土的存在，就會使用于水泥水化和提供適宜流動度的拌和水大大減少，從而降低混凝土的工作性能[8-9]。

摻加伊利土后，新拌混凝土擴展度變大，甚至產生跑漿現象，導致混凝土中骨料堆積，包裹性差，混凝土實驗結果與膠砂實驗結果基本一致。

不同黏土對摻聚羧酸減水劑混凝土流動性劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞篩分土＞伊利土。

2.4 不同黏土對混凝土抗壓強度的影響

為考察不同種類黏土對混凝土抗壓強度的影響，在黏土取代河砂量固定為1.2%情況下，通過調整聚羧酸減水劑的摻量，使混凝土初始坍落度控制在（180±20）mm，初始擴展度控制在（480±20）mm，新拌混凝土和易性良好。C35混凝土的試配配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（河砂）∶m（小石）∶m（大石）∶m（水）=360∶770∶310∶728∶164，實驗結果見表3。

表3 不同黏土對混凝土抗壓強度的影響

從表3可以看出，與未摻加黏土的混凝土試塊相比，摻加不同黏土后，混凝土試塊各齡期的抗壓強度均有明顯的降低，下降最嚴重的是摻加蒙脫土的混凝土試塊，3 d、7 d、28 d抗壓強度較空白樣分別降低了14.2%、18.9%、17.2%。這是因為加入黏土后，水泥的水化受到了黏土的嚴重影響，加大了腐蝕破壞作用，大大降低了混凝土的強度。這就使得用含泥量高的砂拌制混凝土施工時，在相同的工作性能情況下，為了確?；炷翉姸饶軌蜻_到設計要求，就要增加用水量，自然也就要增加水泥的用量，這樣就會使混凝土的生產成本大大增加。不同黏土對混凝土抗壓強度劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土。

2.5 不同黏土對混凝土碳化性能的影響

按照2.4中的配比，考察不同種類黏土對混凝土碳化性能的影響，實驗結果見表4。

表4 不同黏土對混凝土碳化性能的影響

由表4可以看出，不同黏土對混凝土碳化性能影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土，加入蒙脫土后，混凝土的碳化深度明顯增大，抗碳化性能明顯變差。

3 結論

（1）摻加黏土后，對膠砂流動度均有負面的影響，但在一定摻量范圍內，加入伊利土，膠砂流動度反而提高，不同黏土對摻聚羧酸減水劑膠砂流動性劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞篩分土＞伊利土。

（2）摻加黏土后，膠砂試塊抗壓強度均有一定程度下降，但摻加伊利土對膠砂試塊早期抗壓強度影響不大。不同黏土對膠砂試塊抗壓強度劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土。

（3）不同黏土對摻聚羧酸減水劑混凝土流動性劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞篩分土＞伊利土，與膠砂實驗結果一致。

（4）不同黏土對混凝土抗壓強度劣化影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土。

（5）不同黏土對混凝土碳化性能影響順序為：蒙脫土＞高嶺土＞伊利土＞篩分土。

[1]馮乃謙．高性能混凝土[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

[2]劉其城，徐協文，陳曙光．混凝土外加劑[M].北京：化學工業(yè)出版社，2010.

[3]YOSHIOKA K，TAZAWA E，KAWAI K，et al.Adsorption characteristics of superplasticizers on cement component minerals[J]. Cement and Concrete Research，2002，32（10）：1507-1513.

[4]LI Shun，WEN Ziyun.Dispersibility and air entraining performance of polycarboxylate-type water reducers[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2009，37（4）：616-621.

[5]張明，段彬，賈吉堂，等.新型聚羧酸系高性能減水劑的合成研究[J].新型建筑材料，2010（3）：84-87.

[6]薛秉鈞，李松林．人工砂在混凝土和砂漿中的應用研究[J]．中州煤炭，2003（6）：3-4.

[7]王應，王智，胡倩文，等．集料中黏土質泥及其對混凝土性能的影響[J]．硅酸鹽通報，2012，31（3）：599-603.

[8]Sakai E，Atarashi D，Daimon M.Interaction Between Superplasticizers and Clay Minerals[J].JCA Proceedings of Cement&Concrete，2005，58：387-392.

[9]NORVELL J K，STEWART J G，MARIA C.et al.Influence of Clays and Clay-Sized Particles on Concrete Performance[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19（12）：1053-1059.

Effect of clay on the property of the mixed polycarboxylate superplasticizer mortar and concrete

LAI Guangxing1，FANG Yunhui1，ZHANG Weisong2，LIU Mulin1，LAI Huazhen1
（1.Prominent Science New Materials Group Co.Ltd.，Xiamen 361101，China；
2.Xiamen University of Technology，Xiamen 361004，China）

The effect of different clay on the dispersion properties of polycarboxylate superplasticizer and the strength and durability properties of the concrete were researched by the mixed different clay mortar and concrete tests.It provides a reference for the mix proportion optimum design and quality control of concrete.From the experimental results，the greatest impact on the dispersion properties of polycarboxylate superplasticizer and the strength and durability properties of the concrete was montmorillonite due to its multi-layer structure and large layer spacing.And at a certain dosage，added Illite soil can improve the liquidity of mortar and concrete，and the influence on concrete strength and durability is less.

clay，mortar，concrete，strength，durability

TU528.04

A

1001-702X（2016）11-0023-04

2016-03-10；

2016-04-14

賴廣興，男，1984年生，福建龍巖人，工程師，碩士，主要從事混凝土外加劑等相關化學建材研究。