机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响

余 震,孙江涛,吴定略,卢自立,何 涛,李志堂,沈卫国

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉 430070;3.保利长大工程有限公司,广州 545000)

0 引 言

机制砂的应用日渐普及,由于开采岩石周边环境不可控,破碎及生产设备技术条件的限制,在机制砂生产过程中不可避免地会引入泥粉,对机制砂品质产生负面的影响[1-2]。泥粉大多为黏土矿物,自然界中最常见、含量最多的黏土矿物是蒙脱石、伊利石和高岭石,不同种类的黏土矿物具有不同的结构与性质。蒙脱石结构是由两层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片构成的单元晶层,层与层之间以分子间作用力连接,连接力弱,水分子易进入单元晶层之间,硅氧四面体与铝氧八面体易发生晶格取代使蒙脱石带上负电荷,可以吸附等电量的阳离子或水化阳离子。伊利石结构与蒙脱石相似,但伊利石的晶格取代主要发生在四面体晶片,产生的负电荷离单元晶层表面近,与吸附的钾离子产生很强的静电力,层间引力较强,水分子不易进入晶层。高岭石结构是由一片硅氧四面体晶片和一片铝氧八面体晶片构成的单元晶层,单元晶层间主要是通过氢键黏结,层间连结紧密,水分子不易进入,几乎没有晶格取代[3]。泥粉中不同黏土矿物的水理作用相差较大,导致泥粉对机制砂性能影响差异较大[4-5]。

针对泥粉含量与性质对砂浆、混凝土各项性能的影响,国内外的学者做了很多工作。王春发等[6-8]研究发现随砂中含泥量的增加,混凝土工作性能变差,而且砂中含泥量对高强度混凝土性能的影响程度比低强度混凝土显著。王子明等[9]研究发现黏土吸水后体积发生膨胀,会使混凝土中固液相的比例失衡,从而降低混凝土的工作性能。王冠峰等[10-11]研究发现随含泥量增加,混凝土的力学性能明显降低,尤其是含泥量超过5%(质量分数)时,下降幅度更显著。Norvell等[12-15]研究发现相同水灰比时蒙脱土对混凝土强度的影响比高岭土、伊利土对混凝土强度的影响大。杜毅[16]研究发现随着砂中含泥量增加,混凝土干燥收缩程度增大,耐久性能下降,当砂中含泥量超过7%(质量分数)时,混凝土耐久性能降低幅度更为明显。Fernandes等[17]通过XRD对黏土-水泥相互作用进行研究,发现黏土的掺入没有引入任何与纯水泥水化产物不同的物相。

目前国内外关于机制砂中泥粉对混凝土影响的研究大部分都只考虑到泥粉含量这一因素,而忽视了泥粉种类的影响,此外对于机制砂中含泥量也没有明确的限定。因此,本研究选取蒙脱土(montmorillonite, M)、高岭土(kaolinite, K)和伊利土(illite, I)三种泥粉,对比研究泥粉种类和含量对砂浆、混凝土性能及水化产物、孔结构的影响,对今后机制砂中含泥量的控制具有一定参考价值。

1 实 验

1.1 原材料

水泥为贵州德隆水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥,基本物理性能参数见表1。粉煤灰为中电(普安)发电有限责任公司生产的Ⅱ级粉煤。蒙脱土、高岭土、伊利土均产自河北灵寿,基本物理性能见表2。水泥、粉煤灰和泥粉的基本化学组成见表3。机制砂产自广西壮族自治区,基本性能测试结果和筛分曲线分别见表4和图1。粗骨料为广西南天钳幕石场生产的碎石,表观密度为2 620.7 kg/m3,压碎值为10.10%,由[4.75,9.5) mm以及[9.5,20) mm两档碎石按照质量比3∶7混合而成,其基本性能测试结果和筛分曲线分别见表4和图2。减水剂来自武汉优博林新材料有限公司,固含量为30%,减水率为28.5%,含气量为3.6%。

图1 机制砂的级配曲线Fig.1 Gradation curves of manufactured sand

图2 碎石的级配曲线Fig.2 Gradation curves of crushed stone

表1 水泥的基本物理性能Table 1 Basic physical properties of cement

表2 泥粉的基本物理性能Table 2 Basic physical properties of clay powder

表3 水泥、粉煤灰和泥粉的主要化学组成Table 3 Main chemical composition of cement, fly ash and clay powder

表4 集料的基本物理性能Table 4 Basic physical properties of aggregates

1.2 配合比

为了研究泥粉种类和含量对砂浆与混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响,将蒙脱土、高岭土、伊利土按照0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%的质量分数分别取代机制砂。砂浆和混凝土的基础配合比如表5所示。

表5 砂浆和混凝土的基础配合比Table 5 Basic mix proportion of mortar and concrete

1.3 试验方法

砂浆性能测试:按照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)测定砂浆流动度,采用Brookfield DVNext流变仪测定砂浆流变性能,按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)测定砂浆强度,按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)测定砂浆电通量,按照《水泥胶砂干缩试验方法》(JC/T 603—2004)测定砂浆干燥收缩率。

混凝土性能测试:按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)测定新拌混凝土坍落度和扩展度,按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)测定混凝土强度,按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)测定混凝土电通量。

砂浆微观测试:采用Empyrean 锐影X射线衍射仪测定砂浆水化产物的物相组成,采用麦克AutoPore V 9600高性能全自动压汞测试仪对砂浆的孔结构进行测试。

2 结果与讨论

2.1 泥粉种类和含量对砂浆与混凝土工作性能的影响

图3是泥粉种类和含量对砂浆流动度的影响。如图3所示,砂浆的流动度随着泥粉掺量的增加而减小,这是因为蒙脱土、伊利土和高岭土具有吸水性,减少了浆体中的水分,从而导致砂浆流动度降低。使砂浆流动度损失从大到小的泥粉依次为蒙脱土、伊利土、高岭土。当泥粉掺量小于4%时,掺有三种泥粉的砂浆流动度损失相差较小。当泥粉掺量为12%时,掺有三种泥粉的砂浆流动度分别损失了55.62%、37.84%、28.05%,此时,掺有蒙脱土的砂浆已经基本失去了流动性。这是因为蒙脱土能够吸收大量水分,水分子进入层间结构中与氧原子结合成氢键,同时蒙脱土具有较大的阳离子交换容量,会吸附大量水化阳离子,使浆体中的水分变少,导致砂浆流动度降低。伊利土的结构与蒙脱土类似,但伊利土的阳离子交换能力远小于蒙脱土,相同含量下所能吸附的水分也更少,砂浆流动度损失更小。高岭土阳离子交换容量最小,所能吸收的水分也最少,砂浆流动度损失最小。

图3 泥粉种类和含量对砂浆流动度的影响Fig.3 Effects of clay powder type and content on fluidity of mortar

图4是泥粉种类和含量对砂浆屈服应力和塑性黏度的影响。如图4所示,随着泥粉掺量增加,砂浆的屈服应力和塑性黏度提高,且影响从大到小均为蒙脱土、伊利土、高岭土。泥粉在砂浆中吸收水分并团聚,从而开始抵抗外部的剪切应变。随着泥粉掺量的增大,更多的水分被吸收并且团聚效果也更强,从而导致宏观上砂浆的屈服应力和塑性黏度增大[18-19]。蒙脱土的吸水性最强,砂浆表现出的屈服应力和塑性黏度最大,掺有伊利土的砂浆次之,掺有高岭土的砂浆最小。

图4 泥粉种类和含量对砂浆屈服应力和塑性黏度的影响Fig.4 Effects of clay powder type and content on yield stress and plastic viscosity of mortar

图5是泥粉种类和含量对混凝土工作性能的影响。如图5所示,随着泥粉含量的升高,混凝土的坍落度和扩展度下降,且影响从大到小依次为蒙脱土、伊利土、高岭土。与不掺泥粉相比,掺有14%蒙脱土、高岭土、伊利土的混凝土坍落度分别下降了70.23%、32.56%、40.47%,扩展度分别下降了44.85%、19.51%、23.66%。而从砂浆流动度和混凝土坍落度的下降幅度来看,泥粉对混凝土工作性能的影响要大于对砂浆的影响,这是因为混凝土中添加了聚羧酸减水剂,改善了混凝土的工作性能并减少了用水量,而泥粉颗粒会吸附大量的聚羧酸分子,使得产生分散水泥效果的聚羧酸分子数量大大减少,而泥粉在吸附了大量聚羧酸分子和水分后产生体积膨胀,混凝土中的固相颗粒体积增大,浆体的屈服应力和塑性黏度也随之增大,从而对混凝土工作性能产生更大的负面影响[9]。

图5 泥粉种类和含量对混凝土工作性能的影响Fig.5 Effects of clay powder type and content on working performance of concrete

2.2 泥粉种类和含量对砂浆与混凝土力学性能的影响

图6是泥粉种类和含量对砂浆抗压强度的影响。如图6(a)、(b)所示,随着泥粉掺量的升高,掺有蒙脱土和伊利土的砂浆抗压强度先增大后减小,蒙脱土和伊利土掺量分别为4%和8%时,砂浆的28 d抗压强度达到最大值,分别为43.9和44.5 MPa。这是因为在泥粉含量较低时,少量的泥粉颗粒由于具有微集料填充效应和吸水作用,会填补水泥浆体早期水化后由于产生收缩而形成的孔隙与微裂缝,且降低实际水灰比,从而提高砂浆的抗压强度;而泥粉含量较高时,泥粉的吸附作用占主导,会吸收大量的水分,直接影响骨料与水泥浆体的黏结过程,降低水泥水化速率,从而降低砂浆的抗压强度。如图6(c)所示,随着高岭土含量的增大,砂浆的抗压强度一直在增大。高岭土的吸水性较差,其在砂浆中主要起填充作用,有利于砂浆强度发展。

图7是泥粉种类和含量对混凝土抗压强度的影响。如图7所示,随着泥粉含量的增大,掺有三种泥粉的混凝土抗压强度均呈先增大后减小的趋势。这是因为当泥粉含量较小时,泥粉可以作为微集料填充混凝土孔隙,且泥粉会吸收少量水分,导致混凝土实际水灰比降低,有利于混凝土强度发展;当泥粉含量较高时,泥粉会黏结在混凝土骨料表面形成覆盖物,因为泥粉与水泥浆体或泥粉与骨料之间的黏结力小于水泥浆体与骨料之间的黏结力,会导致混凝土界面过渡区出现一些黏结力弱化的区域,从而降低混凝土的强度[5,20]。蒙脱土、伊利土和高岭土的掺量分别在2%、8%和10%以内时可以提高混凝土的强度。此外,当泥粉掺量为14%时,蒙脱土对混凝土强度的损害率是伊利土的1.75倍,是高岭土的3.06倍。这是因为蒙脱土的吸附能力最强,对混凝土抗压强度的不利影响最明显,可掺入的含量最小,这也印证了泥粉对混凝土力学性能的影响与其吸附能力有一定联系。

图7 泥粉种类和含量对混凝土抗压强度的影响Fig.7 Effects of clay powder type and content on compressive strength of concrete

2.3 泥粉种类和含量对砂浆与混凝土耐久性能的影响

图8是泥粉种类和含量对砂浆电通量的影响。如图8所示,随着泥粉掺量的增加,掺有蒙脱土的砂浆电通量一直在增大,且电通量上升的幅度也越大,说明蒙脱土的掺入会显著破坏砂浆抗氯离子渗透性能[21]。随着泥粉掺量的增加,掺有伊利土和高岭土的砂浆电通量均表出先减小后增大的趋势,这说明吸附性较差的这两种黏土在掺量较低时可以提高水泥浆体的密实性和抗渗透性能;而掺有伊利土的砂浆电通量始终高于掺有高岭土的砂浆,说明高岭土的填充效果更好。三种泥粉砂浆的电通量从大到小依次为掺有蒙脱土的砂浆、掺有伊利土的砂浆、掺有高岭土的砂浆。

图8 泥粉种类和含量对砂浆电通量的影响Fig.8 Effects of clay powder type and content on electric flux of mortar

图9是泥粉种类和含量对砂浆干燥收缩的影响。如图9所示,提高泥粉含量,三种泥粉砂浆的干燥收缩率均会上升,即耐久性能下降。在相同龄期和掺量下,三种泥粉砂浆的干燥收缩率从大到小依次为掺有蒙脱土的砂浆、掺有伊利土的砂浆、掺有高岭土的砂浆。砂浆的干燥收缩是由砂浆中的自由水通过孔隙和微裂缝迁移到表面蒸发,使内部出现负压导致的。泥粉特别是具有较大层间距从而产生较大吸附作用的蒙脱土的存在,会在砂浆凝结硬化过程中聚集大量的水分,而干燥条件下水分会流失,形成较大的空隙,从而使砂浆的干燥收缩率增大[22]。

图9 泥粉种类和含量对砂浆干燥收缩的影响Fig.9 Effects of clay powder type and content on drying shrinkage of mortar

图10是泥粉种类和含量对混凝土电通量的影响。如图10所示,蒙脱土含量的增加使混凝土电通量一直在增大,随着伊利土与高岭土含量的增大,混凝土电通量呈先减小后增大的趋势,这与泥粉含量对砂浆电通量的影响规律接近。三种泥粉对混凝土电通量的影响从大到小依次为蒙脱土、伊利土、高岭土,这与砂浆电通量的试验结果规律一致。这主要是因为蒙脱土对水分的吸附作用较高,对机制砂性能的劣化作用较强。

图10 泥粉种类和含量对混凝土电通量的影响Fig.10 Effects of clay powder type and content on electric flux of concrete

2.4 泥粉种类和含量对砂浆水化产物的影响

图11是三种泥粉不同含量下28 d砂浆的XRD谱,从图11中可以看出,在不同泥粉种类和含量下,硬化砂浆中的主要矿物组成均为氢氧化钙(portlandite)、二氧化硅(quartz)、碳酸钙(calcite),说明不同泥粉的掺入对砂浆的主要水化产物没有明显影响。对比蒙脱土不同掺量下的XRD谱可以发现,随着掺量的增加,氢氧化钙的峰强呈先增大后减小的趋势,峰形先变得尖锐后又趋于平缓[23];对比三种泥粉在14%掺量下砂浆的XRD谱可以看出,氢氧化钙的峰强大小顺序为掺有高岭土的砂浆、掺有伊利土的砂浆、掺有蒙脱土的砂浆,说明泥粉的掺入会影响水化产物的生成量和结晶度,且影响效果与泥粉的含量与吸附性大小有关。由于黏土矿物中有部分活性的SiO2和Al2O3,二者可能形成少量无定形的水化硅酸钙、水化铝酸钙,但是这些产物没有明显衍射峰,在XRD谱中难以辨认,对于活性较高的蒙脱石,与Ca(OH)2反应的程度会较高。

图11 不同泥粉种类和含量下砂浆的XRD谱Fig.11 XRD patterns of mortar with different clay powder types and content

2.5 泥粉种类和含量对砂浆孔结构的影响

选取了0%、2%、6%、10%四组泥粉掺量,研究泥粉种类和含量对砂浆孔结构的影响。表6是不同泥粉种类和含量砂浆的平均孔径和孔隙率,从表6中可以看出,随着泥粉含量的增大,砂浆的平均孔径和孔隙率都随之增大,且均大于不掺泥粉时的平均孔径与孔隙率。在同一含量下,三种泥粉砂浆的平均孔径和孔隙率大小顺序均为掺有蒙脱土的砂浆、掺有伊利土的砂浆、掺有高岭土的砂浆。这是因为蒙脱土与水形成的水膜较厚,高岭土与水形成的水膜最薄,厚水膜泥粉的掺入带来了较多的液相空间,带来了较多的孔隙[24]。

表6 砂浆平均孔径与孔隙率Table 6 Average pore size and porosity of mortar

图12～14是泥粉种类和含量对砂浆孔结构的影响。如图12(a)、13(a)、14(a)孔径分布曲线所示,随着泥粉掺量的增加,曲线的主峰向右上方偏移,峰面积增加,说明总的孔体积也随之增加。不掺泥粉的对照组孔的含量在所有孔径下都保持最低。如图12(b)、13(b)、14(b)不同孔径范围的累计孔体积所示,所有砂浆样品中都是10～<100 nm孔的比例最大。随着泥粉掺量的增加,总的孔体积也随之增大,且大于1 000 nm孔的比例也随之增大。孔径越大,所造成的危害也越大,所以泥粉掺量的增加会对砂浆的力学性能和耐久性能产生负面影响。蒙脱土、高岭土、伊利土在10%掺量下砂浆的累计孔体积分别为0.122、0.104、0.113 mL/g,相比不掺泥粉时分别提升了67.12%、42.47%、54.79%,孔体积及孔隙率的增大在宏观上表现为力学性能和耐久性能的下降[25-26]。

图12 不同蒙脱土掺量下28 d砂浆孔结构Fig.12 Pore structure of 28 d mortar with different content of montmorillonite

图13 不同伊利土掺量下28 d砂浆孔结构Fig.13 Pore structure of 28 d mortar with different content of illite

图14 不同高岭土掺量下28 d砂浆孔结构Fig.14 Pore structure of 28 d mortar with different content of kaolinite

3 结 论

1)随着泥粉掺量的增大,砂浆的流动度和混凝土的坍落度、扩展度均呈逐渐下降的趋势,且砂浆的屈服应力、塑性黏度增大,说明泥粉的掺入会对砂浆和混凝土的工作性能产生负面影响,影响程度从大到小依次为蒙脱土、伊利土、高岭土。

2)随着泥粉掺量的增大,掺有蒙脱土和伊利土的砂浆抗压强度呈先增大后减小的趋势,分别在掺量为4%和8%时达到最大值,掺有高岭土的砂浆抗压强度一直在增大。混凝土抗压强度随泥粉含量的增大均呈先增大后减小的趋势,蒙脱土、伊利土和高岭土的掺量分别在2%、8%和10%内可以提高混凝土的抗压强度。

3)随着泥粉掺量的增大,掺有蒙脱土的砂浆和混凝土电通量增大,而掺有伊利土和高岭土的砂浆和混凝土电通量呈先减小后增大的趋势,分别在掺量为4%和6%时达到最小值。随着泥粉掺量的增大,砂浆干燥收缩率上升,影响程度从大到小依次为蒙脱土、伊利土、高岭土。

4)泥粉的掺入对砂浆的主要水化产物种类没有明显影响,但会影响水化产物的生成量。掺有不同泥粉的砂浆的孔径主要分布在10～<100 nm,泥粉掺量的增大会使孔隙率、平均孔径和累计孔体积增大,导致砂浆力学性能和耐久性能下降。