外摻高倍吸水材料改性機制砂砂漿性能研究

賴增偉，藍日彥

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，建筑和道路工程行業(yè)的建設(shè)步伐日益加快，使得天然砂石一直處于高開采、高消耗的趨勢[1-2]。2019年，我國砂石骨料的年消耗量約為210億t，不僅導(dǎo)致天然砂石資源的枯竭和價格上漲，而且還對我國江河水系的生態(tài)、防洪堤岸以及橋梁等造成嚴重的影響[3-4]。隨著國家環(huán)保部門對自然資源的保護力度日益加大，使用機制砂替代天然砂已成為混凝土行業(yè)發(fā)展和研究的重要焦點。

機制砂是由機械設(shè)備破碎、篩分后的粒徑<4.75 mm的顆粒[5-6]。機制砂的生產(chǎn)工藝導(dǎo)致其顆粒表面粗糙、多棱角、級配差，而且常伴有大量的粒徑<75μm的石粉產(chǎn)生，使其在砂漿及混凝土應(yīng)用過程中出現(xiàn)工作性能變異大、力學(xué)性能以及耐久性能降低的問題[7-8]。劉凱等[9]的研究結(jié)果表明石粉含量占膠凝材料的7%時，所制備的混凝土的抗壓強度達到最高，且石粉含量>8.1%時，會對強度產(chǎn)生較大的影響。何世欽等[5]研究發(fā)現(xiàn)機制砂中的石粉含量在10%左右時對砂漿和混凝土的流動性和黏度具有不利影響，容易使拌和物流動性能降低。喬金麗等[10]發(fā)現(xiàn)機制砂中石粉摻量在6%時，制備的C80機制砂混凝土工作性和強度達到最佳，繼續(xù)增加其摻量會使混凝土的性能降低。寧成晉等[11]研究發(fā)現(xiàn)當石粉含量在7%以下時，采用礦粉與粉煤灰復(fù)摻后可制備出坍落度為180 mm、擴展度為500 mm以上的機制砂高性能混凝土。因此，針對石粉含量較高的機制砂混凝土使用問題，目前的研究僅僅局限于研究石粉對其性能的改善，而研究吸水樹脂摻入后對機制砂混凝土性能影響的較少。吸水樹脂作為一種新型的外加劑，其具有良好的保水能力，吸水后能在其內(nèi)外環(huán)境出現(xiàn)滲透壓差時釋放出水分，提高漿體的流動性，起到一定的養(yǎng)護作用[12-15]。李發(fā)平等[16]研究發(fā)現(xiàn)隨著高吸水樹脂摻量的增加，水泥砂漿的流動度增大。本研究為室內(nèi)試驗，通過引入高倍率的吸水樹脂來研究其對摻石粉水泥凈漿分散性、流動性和機制砂砂漿流變性的影響，同時研究一定石粉摻量下其對機制砂砂漿力學(xué)性能的影響，從而為機制砂的應(yīng)用提供一定的參考依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

(1)水泥：采用海螺普通硅酸鹽水泥P.O 42.5，平均粒徑為24.31μm，其主要技術(shù)指標見表1。

表1 水泥的主要技術(shù)指標表

(2)吸水樹脂：白色顆粒，其吸水倍率為250，平均粒徑為285μm，揮發(fā)物含量為2.5%，氯離子含量為0.04%，試驗中的摻量是以水泥質(zhì)量為基準，采用外摻法。

(3)石粉：其材質(zhì)與細集料相同，通過機制砂篩分出粒徑<0.075 mm的顆粒，其摻量也是以水泥質(zhì)量為基準，采用外摻法。

(4)細集料：經(jīng)石灰?guī)r破碎后形成的機制砂，細度模數(shù)為2.8，石粉含量為4%。

(5)外加劑：采用巴斯夫的聚羧酸粉體減水劑，減水率為25%以上。

1.2 實驗方案及方法

1.2.1 水泥凈漿分散程度的測定

水泥為100 g，水為300 g，石粉為6 g，然后分別按照吸水樹脂摻量為0、0.05%、0.10%、0.15%、0.2%及0.25%的比例依次稱取測試。首先將稱取完畢的水泥、石粉和吸水樹脂加入水泥凈漿攪拌鍋中慢速攪拌30 s使其混合均勻，加入水后繼續(xù)快速攪拌120 s制備成水泥混合漿體，量取適量的漿體倒入離心管中，在高速離心機3 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心10 min，收取一定量上清液，然后用孔徑為0.45μm的微濾膜過濾除去雜質(zhì)，稀釋一定倍數(shù)后采用上海屹譜儀器制造有限公司生產(chǎn)的紫外-可見分光光度計(UV法)測量在特定吸收波長下的吸光度，并根據(jù)吸光度的變化判斷其分散程度，試驗最大吸收波長676 nm為測試特定波長。

1.2.2 水泥凈漿流動性的測定

首先按照表2的比例稱取材料，再將稱取的水泥、石粉和吸水樹脂加入水泥凈漿攪拌鍋中慢速攪拌30 s使其混合均勻，然后加入水后繼續(xù)慢速攪拌120 s后停15 s，接著快速攪拌120 s制備成水泥混合漿體，并按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T8077-2000)測試水泥凈漿的流動性。

表2 水泥凈漿實驗方案表

1.2.3 機制砂砂漿的流變性及力學(xué)性能測定

首先按照表3的比例稱取材料，然后將稱取的水泥、減水劑、石粉、吸水樹脂和機制砂依次緩慢加入水泥膠砂攪拌鍋中慢速攪拌60 s使其混合均勻，接著將水加入(防止飛濺)繼續(xù)慢速攪拌60 s后停15 s，再快速攪拌120 s制備成機制砂砂漿：(1)將制備的機制砂砂漿采用旋轉(zhuǎn)流變儀測定漿體在各剪切速率下的剪切應(yīng)力值，并通過軟件進行數(shù)據(jù)處理，得到相應(yīng)的屈服應(yīng)力和塑性黏度值，每組測量兩次，取平均值；(2)將制備的機制砂砂漿立即裝入(40×40×160)mm的模具振實后放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h脫模，脫模后繼續(xù)自然養(yǎng)護至相應(yīng)齡期并按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GBT17671-1999)進行測試。

表3 機制砂砂漿實驗方案表

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水樹脂對水泥凈漿漿體分散性的影響

圖1為特定波長676 nm下測得的水泥復(fù)合漿體吸光度隨吸水樹脂摻量的變化曲線圖。從圖1可以看出，當吸水樹脂摻量為0.15%時，其吸光度最大，水泥混合體系中加入吸水樹脂后，體系的吸光度明顯大于未摻吸水樹脂時的吸光度，并且在石粉摻量確定的條件下，水泥混合體系的吸光度隨著吸水樹脂摻量的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢。原因是：(1)由于一定摻量的吸水樹脂作為表面活性劑，其在體系中吸水膨脹后形成凝膠顆粒，在攪拌機的拌和下能夠被分散，起到潤滑的作用，減小水泥漿體顆粒之間的運動阻力，改善了水泥混合體系的分散性[14]；(2)過量的吸水樹脂會使吸水量增加，導(dǎo)致體系中的自由水減少，進而使得其潤滑的效應(yīng)小于體系自由水減小所帶來的負面效應(yīng)，使得水泥混合體系的分散性降低。這表明一定量的吸水樹脂能從整體上改善水泥混合體系的分散性，過量的吸水樹脂會對體系的分散性造成影響。

圖1 特定波長676 nm下水泥混合漿體吸光度隨吸水樹脂摻量變化的曲線圖

2.2 吸水樹脂對水泥凈漿流動性及砂漿流變性能的測定

圖2是水泥復(fù)合漿體流動性隨吸水樹脂摻量變化的柱形圖，表4是吸水樹脂不同摻量下機制砂砂漿漿體流變性能的試驗結(jié)果。從圖2中可看出水泥漿體的流動性隨著吸水樹脂摻量的增加先逐漸增加后降低，當吸水樹脂摻量為0.15%時，流動度達到了141.2 mm，較未摻吸水樹脂的流動度118 mm增加了19.7%，但繼續(xù)增加其摻量，流動度呈現(xiàn)出降低的趨勢，在摻量為0.25%時，其流動度下降到111.5 mm，這與吸水樹脂摻入后對水泥漿體的分散性影響結(jié)果一致。而且從表4的機制砂砂漿流變試驗結(jié)果中也可以看出隨著吸水樹脂摻量的增加，機制砂砂漿漿體的屈服應(yīng)力和黏度均呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，屈服應(yīng)力和黏度的減小表明機制砂砂漿漿體在發(fā)生初始流動時所需要克服的最大阻力在變小，其只需在較小的剪切應(yīng)力下就能發(fā)生形變，流動性好，反之需要在較大的剪切應(yīng)力下才能發(fā)生形變。

圖2 吸水樹脂對水泥混合漿體流動性的影響柱形圖

表4 摻加吸水樹脂的機制砂砂漿流變性能的試驗結(jié)果表

2.3 吸水樹脂對不同齡期試樣力學(xué)性能的影響

吸水樹脂不同摻量下機制砂砂漿試樣抗折強度的變化見圖3，吸水樹脂不同摻量下機制砂砂漿試樣抗壓強度的變化見圖4。從圖3中可以看出未摻吸水樹脂和摻入吸水樹脂的機制砂砂漿的抗折強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而逐漸增加。3 d齡期下，隨著吸水樹脂的摻量增加，抗折強度先增加后降低，最大為4.4 MPa。繼續(xù)養(yǎng)護至28 d齡期時測試發(fā)現(xiàn)，相較于未摻吸水樹脂的機制砂砂漿抗折強度，摻入吸水樹脂的幾乎無明顯增長趨勢，且摻量增加至0.2%以上時，抗折強度出現(xiàn)小幅度下降趨勢。從圖4中可以看出未摻吸水樹脂和摻入吸水樹脂的機制砂砂漿的抗壓強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而逐漸增加。并且在相同齡期下，隨著吸水樹脂摻量的增加，抗壓強度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但均有一定程度的提升。在吸水樹脂摻量為0.1%和0.15%時，28 d齡期時抗壓強度均達到40 MPa以上，繼續(xù)增加其摻量至0.2%以上時，抗壓強度出現(xiàn)下降趨勢。這是由于在養(yǎng)護早期，較少量的吸水樹脂摻入后吸取自由水，使得體系中的水減少，水膠比降低，從而使得材料在一定的水灰比范圍內(nèi)密實度增加，早期強度得以提升[15][17]。而隨著自然養(yǎng)護齡期的增加，水泥不斷地水化消耗體系中的水，導(dǎo)致吸水樹脂向外不斷“釋放”水分，使未水化的水泥繼續(xù)水化生成水化產(chǎn)物，填充因其釋放水分而產(chǎn)生的少量孔隙，密實度繼續(xù)增加，使得后期強度仍有一定的提升。但過量的吸水樹脂摻入后吸水量可能過大，導(dǎo)致水膠比過低，材料的密實度降低，內(nèi)部產(chǎn)生更多的孔隙和缺陷，使得強度也隨之降低[18]。

圖3 吸水樹脂對機制砂砂漿抗折強度的影響柱形圖

圖4 吸水樹脂對機制砂砂漿抗壓強度的影響柱形圖

3 結(jié)語

(1)適量的吸水樹脂摻入能改善水泥混合體系的分散性。在石粉摻量確定的條件下，其吸光度隨著吸水樹脂摻量的增加先增大后降低，當其摻量為0.15%時，吸光度最大，分散性最佳。

(2)在石粉摻量確定的條件下，水泥凈漿混合體系的流動度隨吸水樹脂摻量的增加先增加后降低，吸水樹脂摻量為0.15%時的流動度較未摻吸水樹脂的增加了19.7%，并且機制砂砂漿的屈服應(yīng)力和黏度也最小，其在一定剪切應(yīng)力下形變能力較好。

(3)摻入吸水樹脂后，其對機制砂砂漿抗折強度的影響主要表現(xiàn)在早期，養(yǎng)護至3 d時，抗折強度隨著其摻量增加先增加后降低，且摻量在0.2%以上時，抗折強度出現(xiàn)小幅度下降。

(4)隨著吸水樹脂摻量的增加，機制砂砂漿抗壓強度出現(xiàn)先升高后降低的趨勢；在吸水樹脂摻量為0.1%和0.15%時，28 d齡期時抗壓強度均達到為40 MPa以上，繼續(xù)增加其摻量至0.2%以上時，抗壓強度出現(xiàn)下降趨勢。