砂泥含量对混凝土性能影响分析

2020年3月1日23:03:34 4 2,855

中铁五局四公司  朱永清 邹琳

摘要

砂子含泥量过高可能会对混凝土质量带来一些问题,但对于不同水胶比(不同强度等级)的混凝土,砂含泥量对混凝土的强度和耐久性的影响究竟有多大?当含泥量超出规范标准时,混凝土的性能是否能满足设计及施工要求?这并没有一个明确的答案,各有各的主张众说纷纭。但是砂子作为建设工程的主要材料,应就近选材利用,选用优质但价格昂贵的材料是不可持续的,优劣之间如何平衡,是值得思考和探讨的问题。

不同种类的土对混凝土拌合物的需水量有很大的区别,把全国各地砂子含泥量的控制指标限定为一个统一的数值是不合适的,这种做法显得粗暴而不讲道理。由于不同种类的土对混凝土的性能影响各不相同,需水量较大的“泥”更容易使混凝土变的粘稠或者水胶比增大,相对与需水量较小的“泥”更容易增加施工难度或降低强度,而需水量较小的“泥”对混凝土性能的影响则没有那么严重,可以通过减水剂技术做出调整。砂含泥量在8%以内时,不会使混凝土强度降低,之所以存在“砂含泥量会降低混凝土强度”的说法,是因为含泥量的增加导致了混凝土需水量增加,而未加区分地增加了用水量,使混凝土的水胶比增加而降低了强度。同样的道理,砂含泥量的变化也不会对氯离子电通量指标造成根本影响。

关键词:砂含泥量、混凝土、强度

1引言

砂中的含泥量大小是影响混凝土质量的因素之一,如果砂中的含泥量过多,就会影响到水泥浆与骨料间的粘结力,而且还会使混凝土需水量增加,使混凝土水胶比增加,从而降低混凝土的强度及耐久性。因而,合理地控制砂的含泥量对控制混凝土的质量显得尤为重要。所以,混凝土行业的标准中对于砂的含泥量有较为严格的限制。

近年来,大规模的基础设施建设使混凝土用砂的需求量十分庞大,很多地方的优质河砂资源已消耗殆尽。在人工淘洗河砂的过程中时常会对河砂的级配造成破坏,从而导致混凝土可工作性差,胶凝材料用量增加等问题,增加了施工质量控制难度和施工成本,已经给混凝土工程带来了严重的问题,砂子的质量越来越受关注。

砂子含泥量过高可能会对混凝土质量带来一些问题,但对于不同水胶比(不同强度等级)的混凝土,砂含泥量对混凝土的强度和耐久性的影响究竟有多大?当含泥量超出规范标准时,混凝土的性能是否能满足设计及施工要求?这并没有一个明确的答案。有人主张严格按照标准规范的要求采购材料,不得有丝毫越线。有人则主张因地制宜、就近采购材料,根据工程实际综合各项混凝土技术得到合格工程,众说纷纭。我们从土地资源充分利用、环境保护和经济效益等方面综合考虑,认为大宗材料应就近利用,选用优质但价格昂贵的材料是不可持续的,而砂子作为建设工程的主要材料更应该就近选材。砂子该如何控制质量,优劣之间如何平衡,既能够充分利用资源、促进环境保护及获取合理的经济效益,又能够得到合格而耐久的工程,是值得我们思考和讨论的。基于这样的背景和原因,我们设计了一套试验方案,来研究砂的含泥量对混凝土可工作性、强度及耐久性的影响。

2术语

2.1水末比

混凝土中水的总质量和直径小于0.1mm粉末的总质量之比。

2.2可工作性

对混凝土和容易密实程度的描述,是流动性、粘聚性、可输送性及可密实性的复杂组合。

2.3粉末(细组分)

混凝土中粒径小于0.125mm的材料,也包括砂中小于0.125mm的组分。

2.4抗离析性

在运输和浇筑过程中保持混凝土均匀性的能力。

2.5混凝土需水量

新拌混凝土达到一定的可塑性状态所需要的用水量。

2.6砂含泥量

砂中小于0.075mm的颗粒所占砂总质量的百分比。

3试验方案

3.1试验方案

本次试验在三个不同的地区分别进行,分别是:河南郑州市郑东新区、河南卢氏县、辽宁朝阳市龙城区。三组试验分别编号为①、②、③。试验②砂含泥量选用0.5%、2%、4%、6%、8%、10%六个值,其余的选用0%、2%、4%、6%、8%、10%六个值。试验②的水胶比选用0.44、0.49、0.54三个值,其余两组的水胶比选用0.43、0.47、0.51三个值。

为了保证混凝土成型时具有相近的相对密实度,以调整减水剂的掺量来使每组试验的坍落度保持在200mm±20mm范围内,用坍落度、含气量等指标来代表新拌混凝土的性能(反映可工作性的指标)。混凝土试件的养护采用标准养护(温度20±2℃,湿度≥95%),分别获取混凝土3天、7天、28天、56天的抗压强度和56天电通量结果,以此来评估砂中含泥量对混凝土强度和耐久性的影响。

3.2原材料

本次试验用水泥均采用42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰采用F类粉煤灰,减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,砂采用人工淘洗干净的河砂,用于调整砂含泥量的泥为所在地区细粒土,试验①所用的土为黄河冲积平原上的砂性土,试验②所用土为该地的黏土,试验③所用的土为朝阳市郊区的黏土,该地区的土层中富含蒙脱石和膨润土,试验①、③所用碎石为洁净石灰岩碎石;试验②碎石为洁净玄武岩碎石。

4试验结果分析

4.1砂泥含量对混凝土拌合物性能的影响

4.1.1对混凝土工作性的影响

砂中的“泥”可以改善混凝土的包裹性能,当砂的含泥量增加时实际上增加了混凝土的粉末总量,所以当砂的含泥量增加后,降低部分砂率,混凝土仍然能够获得类似的包裹性(见图1)。如果砂中的“泥”对混凝土没有直接或潜在的危害,它是可以当做惰性粉末来使用,这使混凝土中的粉末(细组分)增加,可以使混凝土的抗离析性、可输送性和可密实性增加。但是在这种情况下,如果砂的含泥量增加,而混凝土的用水量没有发生变化,混凝土中的粉末含量将会增加,那么混凝土的水末比将会降低,这可能会导致混凝土流动性降低,增加减水剂用量后混凝土可能会过于粘稠,阻力增加,会使混凝土可工作性降低,给施工操作带来困难,进而影响到混凝土成型的质量。这时改善混凝土可工作性最有效的办法是提高混凝土用水量,但这种做法使得混凝土的水胶比变大,使混凝土的强度受到损失。所以 “泥”对混凝土的影响会体现在“泥”本身的需水量上,“泥”本身的需水量越小,对新拌混凝土和硬化混凝土的影响越小,“泥”本身的需水量大,对新拌混凝土和硬化混凝土的影响越大。

砂泥含量对混凝土性能影响分析
图1 混凝土包裹性类似的情况下砂含泥量与砂率的关系图

4.1.2对混凝土需水量的影响

砂中的泥作为较细的颗粒存在于混凝土中,必然会使混凝土具有更高的需水量。然而,不同种类的土对于混凝土需水量的改变却大不相同,在图2中,方案③中的泥对外加剂的掺量影响最大,减水剂掺量的变化从0.7%到3.0%,这个影响是令人吃惊的;方案①影响最小,减水剂掺量最多增加0.4%,这个范围在混凝土生产过程中也是经常使用的;方案②则介于两者之间,减水剂掺量最多增加1.1%。这说明不同种类的土对水(或减水剂)的吸附是大不相同的。方案③使用的土富含膨润土成份,所以吸水性最强,方案①使用的黄河冲积平原的砂性土,其吸水性较弱,对混凝土需水量的影响也最弱,方案②使用的普通黏土吸水性介于前两者之间。

在得出这一结果之后,不禁产生了一个疑问:不同种类的土对混凝土拌合物的需水量有很大的区别,那么把全国各地砂子含泥量的控制指标限定为一个统一的数值是否合适呢?显然是不合适的。由于不同种类的土对混凝土的性能影响各不相同,需水量较大的“泥”更容易使混凝土变的粘稠或者水胶比增大,相对于需水量较小的“泥”更容易增加施工难度或降低强度。所以,对所有砂的含泥量控制都使用统一标准显得粗暴而不讲道理,需水量较小的“泥”对混凝土性能的影响并没有那么严重,在方案①中,含泥量从0%到10%,减水剂的用量增加在0.4%以内,我们认为是可以通过增加减水剂掺量等技术手段来保证混凝土水胶比和工作性的,如果在配合比试验时使用的砂含泥量是4%,生产过程中砂子含泥量在2%~8%之间变化,减水剂掺量在±0.2%之间调整就可以使混凝土获得相应的流动性,而且这种大范围的波动已经是较极端的情况。对于方案②中的黏土,在6%以内也是可以接受的。对方案③中的土应该要严格限制含泥量,应该控制在3%以内。

砂泥含量对混凝土性能影响分析
图2混凝土流动性类似的情况下砂含泥量与减水剂掺量的关系图

3.1.3对混凝土坍落度损失的影响

砂中含泥量的变化会对混凝土的坍落度损失产生影响,在方案③中在砂的含泥量达到6%以后,混凝土坍落度损失的速度明显增加,但是含泥量在4%以内的时候,砂含泥量变化对混凝土的坍落度损失几乎没有影响(图3.3)。这说明砂中含有膨润土不仅使混凝土需水量急剧增加,也会增加混凝土坍落度损失的速度。

砂泥含量对混凝土性能影响分析
图3方案③砂含泥量与混凝土坍落度经时变化之间的关系
砂泥含量对混凝土性能影响分析
图4方案②砂含泥量与混凝土坍落度经时变化之间的关系

4.2砂泥含量对混凝土强度的影响

本试验方案所得出的结果是建立在混凝土水胶比没有改变的基础上,表1为3个方案中56天的抗压强度及对应的砂含泥量。除了方案③在砂的含泥量达到10%时强度有明显下降之外,其他的强度和含泥量之间没有明显的相关关系,强度波动无规律性,更多是试验中的误差所造成。所以我们几乎可以肯定,在水胶比不变、含泥量不超过8%的情况下,含泥量的增加不会使混凝土强度有明显损失。

砂泥含量对混凝土性能影响分析

困难的问题在于,在上文中阐述了含泥量的增加会使混凝土需水量增加,如果含泥量增大时,混凝土的用水量不变化,这会使混凝土的水末比变小,混凝土会变得更加粘稠,使混凝土的浇筑变得困难,为了解决这一问题,增加用水量几乎成了施工工人唯一的选择。所以,因为砂含泥量偏大所表现出来对于混凝土强度的减弱作用,实际上是因为增加了混凝土水胶比。如果像我们在试验中采取的方法,通过改变减水剂的用量来调整混凝土的流动性,而不改变水胶比,含泥量的变化对混凝土的强度影响则非常微小。

这里还有一个问题需要思考,我们已经明白可以通过控制水胶比来控制混凝土强度,那么砂的含泥量在什么范围才可以不使混凝土的工作性劣化,其实在上文中已经给出了答案,关键在于“泥”的种类,明白这一点之后就可以通过几组简单的试验来确定含泥量应该控制的范围。

4.3砂泥含量对混凝土电通量的影响

混凝土氯离子电通量指标是衡量混凝土抗渗透能力的一项试验指标,在混凝土强调耐久性的今天,氯离子电通量是一个重要的试验项目。我们通过这一试验指标来判断含泥量对混凝土抗渗透能力和耐久性的影响。

表2是3个方案56天电通量试验结果。电通量试验结果的变化与砂含泥量的变化并未呈现出明显的规律,在水胶比不变的情况下,含泥量在10%以内时对混凝土56天龄期的电通量无明显影响。较明显的是,水胶比的变化对混凝土电通量的影响显而易见的,因此,砂含泥量的变化对混凝土的抗渗透能力没有明显影响,而水胶比对后者的影响是决定性的,又回到了上文中所说的内容,如果砂含泥量的变化导致了混凝土水胶比的改变,则会导致混凝土抗渗透能力改变。

砂泥含量对混凝土性能影响分析

5试验结论

5.1砂含泥量对混凝土拌合物性能影响

砂的含泥量对混凝土拌合物性能有一定影响,含泥量增加会使混凝土的包裹性变好,但含泥量增加也会使混凝土的需水量增加,若要混凝土保持一定的可工作性,需要增加减水剂的掺量或增加混凝土用水量。但不同种类的泥对混凝土需水量的影响有很大的区别,实际使用时应根据试验结果区分对待。

5.2砂含泥量对混凝土强度的影响

砂子含泥量在8%以内时,“泥”本身不会使混凝土强度降低,含泥量增加引起混凝土强度降低是因为含泥量的增加导致了混凝土水胶比的增加。在水胶比不变、含泥量不超过8%的情况下,含泥量的增加不会使混凝土强度有明显损失。

5.3砂含泥量对混凝土电通量的影响

在水胶比确定的情况下,含泥量在0%~10%范围内对氯离子电通量结果无明显影响,所以砂含泥量的增加不会使混凝土抗渗透能力降低。

5.4砂含泥量控制

综合以上的结论,我们认为把各个地区不同种类砂子的含泥量用统一标准来控制是不合理的,可能会造成资源浪费,于工程而言,砂子洗的太干净也会劣化混凝土工作性。正确的做法应该是针对不同种类的砂子根据试验结果来确定含泥量的控制范围。

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朱永清
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    • BrianObemn BrianObemn

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        • 朱永清 朱永清

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            • 朱永清 朱永清

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