黏土颗粒对水泥净浆及胶砂性能的影响
连业辉,周新刚,刘津成
(烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005)
骨料质量对混凝土拌合物及硬化混凝土的性能都有显著影响。近年来,随着骨料资源匮乏问题越来越突出,机制砂的应用越来越普遍,机制砂中泥粉含量对混凝土性能的影响及其控制成为改善和提高预拌混凝土质量的关键技术问题[1-5]。骨料中的泥粉,其颗粒粒径范围与胶材相似,可称为微细骨料,具有填充作用。从矿物成分分析,微细骨料包含原生矿物和次生矿物两类颗粒。所谓原生矿物即原岩破碎或风化形成的微细颗粒,其成分与原岩相同,如石灰石粉;而次生矿物则是原生矿物经过漫长的化学变化而形成的新的矿物,如黏土。微细骨料中原生矿物成分属于惰性填充材料,对混凝土的性能影响小;次生矿物成分则较为复杂,属于微细的(粒径一般小于2 μm)层状硅酸盐矿物,主要有高岭石、蒙脱石、伊利石、绿泥石等[6-8]。黏粒对混凝土也有填充作用,但受其晶体结构、形貌特征、颗粒粒径、带电性等影响,对混凝土拌合物性能的影响显著[9-15]。已有研究大多是关于黏粒的吸水特性及其对外加剂的吸附性[16-21],本文主要研究蒙脱土、高岭土及伊利土等典型黏粒对净浆流动度及胶砂强度的影响,分析比较不同黏粒及其掺量对净浆流动性及胶砂强度的影响程度。
1.1 试验用原材料
水泥为P·O42.5水泥;砂为ISO标准砂;减水剂为聚羧酸减水剂,固含量为10%,按《GB8076—2008混凝土外加剂》[22]标准检验其减水率为25%;黏土分别为蒙脱土、高岭土和伊利土。蒙脱土和高岭土选择三种细度,分别为325目、600目和1250目;伊利土选择一种细度,为325目。实验用水泥、蒙脱土、高岭土和伊利土的SEM微观形貌特征见图1。由图片可见,蒙脱土颗粒表面具有絮状结构,高岭土为片状颗粒,表面有少量细小颗粒,伊利石为棱角较多的多面体,但表面无细小颗粒或絮状结构,水泥为多面体颗粒,颗粒粒径的连续性较好。
图1 325目蒙脱土、325目高岭土、325目伊利土与水泥颗粒SEM图
1.2 试验设计
本文主要通过净浆流动度试验,研究不同种类的黏粒及其不同细度与掺量对净浆流动度的影响。流动度试验分两大组,一组不加聚羧酸外加剂,其水胶比为0.5,流动度试验净浆配比见表1;一组加1.5 g聚羧酸外加剂,其水胶比为0.375,流动度试验净浆配比见表2。在每一大组中都包括一组空白试件,即不加黏粒。蒙脱土颗粒表面具有絮状结构,双电层作用更显著,对水和外加剂的吸附性更强[23],其掺量设计为0.1%～2.0%,高岭土和伊利土的掺量都设计为1.0%～5.0%。
表1 无聚羧酸减水剂水泥净浆流动度试验配比
表2 含聚羧酸减水剂水泥净浆流动度试验配比
通过胶砂强度试验,研究胶砂强度随黏粒种类及含量的变化情况,分析比较黏粒种类及含量对强度的影响规律,胶砂强度试验的配比见表3,蒙脱土、高岭土和伊利土的掺量都设计为2%～6%。
表3 水泥胶砂抗压强度试验配比
2.1 净浆流动度
由图2与图3可以看出,在无外加剂的情况下,净浆流动度随蒙脱土掺量的增加而降低。其中,掺325目的蒙脱土下降幅度最大,当掺量达到2%时,其流动度下降24.3%;掺600和1250目的蒙脱土下降幅度基本相似,当掺量达2%时,流动度下降幅度8%左右。掺高岭土和伊利土,在各种细度情况下,其流动度虽也有下降,但并不明显,特别是伊利土,在掺量2%以内,其流动度基本没有变化。
图2 未添加减水剂蒙脱土不同含量净浆流动度
图3 未添加减水剂高岭土与伊利土不同含量净浆流动度
掺加外加剂,水胶比从0.5降至0.375,在没有掺加黏粒的情况下,其流动度控制在200 mm。然后分别掺加不同比例、不同种类的黏粒,研究其流动度变化,试验结果见图4和图5。图4表明,在使用外加剂,水胶比相对较小的情况下,随蒙脱土掺量的增加,其流动度降低十分显著。当蒙脱土为325目,掺量为2%时,流动度降低幅度超过70%;1250目时,降低幅度超过50%;600目时,降低幅度超过35%。相对于蒙脱土,高岭土降低幅度相对较小,但也比无外加剂、水胶比高的情况,降低幅度更为明显。其中325目和1250目高岭土,当掺量达到2%,下降幅度约为10%;当掺量达到5%时,下降幅度约为17.5%。600目的下降规律与其他细度的相同,但下降幅度略小,掺量2%时,下降幅度约为5%;掺量5%时,下降幅度约为13%。伊利土在掺量1%～3%时,略有下降,但掺量增加到5%时,流动度不仅不降低,反而略有增高,说明在有外加剂的情况,即使水胶比比较低,伊利土对流动度也基本没有影响。
图4 添加减水剂蒙脱土不同含量净浆流动度
以上试验表明,蒙脱土对水泥净浆流动度的影响最为明显,其次为高岭土,而伊利土则基本没有影响。在使用外加剂,水胶比较小的情况下,蒙脱土的影响非常显著,掺量2%时,流动度就有大幅度降低,尤其是目数为325的蒙脱土,降低幅度超过70%。从颗粒形貌特征看,相对较粗的颗粒,其表面有更多的絮状结构,对水和外加剂的吸附作用更强,因此,颗粒较粗时,流动度降低幅度更大。在水胶比较小的情况下,高岭土的流动度随掺量的增加也明显降低,但相比蒙脱土,其降低幅度则较小。掺量为2%,其降低幅度约为5%,只是同等含量蒙脱土降低幅度的10%左右;掺量达到5%,降低幅度17.5%左右,也只有掺量2%蒙脱土的25%左右。从形貌特征看,高岭土为片状结构,表面只有较少的细颗粒,无絮状结构,因此,对水和外加剂的吸附作用都较小。伊利土表面基本为光滑的多棱角致密结构,其对水和外加剂的吸附作用都较微小,因此在有无外加剂的情况下,其流动度基本都保持不变。
图5 添加减水剂高岭土与伊利土不同含量净浆流动度
在掺入蒙脱土或高岭土后净浆的流动度下降可以认为是部分本应是被水泥吸附的聚羧酸减水剂被黏粒吸附走,使水泥颗粒表面的有效聚羧酸减水剂颗粒减少,从而加大了净浆的需水量,并且黏粒会对水也有一定的吸附作用,所以在相同的水胶比的情况下,掺入黏粒的净浆流动度会下降。而黏粒的种类、细度以及含量对水或外加剂的吸附作用均不同,导致了不同净浆试验的变化规律不同。
为进一步分析验证蒙脱土细度和掺量对含有外加剂净浆流动度的影响,以达到相同流动度所需的用水量为参数,研究用水量随蒙脱土及其细度的变化规律。试验配比见表4,试验中设定流动度为200 mm,图6为试验结果。由图可见,三种细度的蒙脱土颗粒,随着掺量的增加,达到相同流动度的用水量基本呈线性增加。其中325目和1250目的掺量在0.5%以下增长较快;含量0.5%时,相对空白试件,用水量增加20%左右,而600目的用水量增长10%左右。含量0.5%～1.5%,各种细度的增长率基本相同;含量超过1.5%,600目和1250目的增长率略有降低,而325目的仍保持原有的增长率继续增长。含量为2%时,325目的用水量增加45%左右,1250目的增加40%左右,600目的增加30%左右。
表4 等水泥净浆流动度需水试验配比
图6 等流动度(200±5mm)下的含泥量与需水量关系
2.2 胶砂抗压强度
从图7—9可以看出蒙脱土含量低于2%时,7 d强度比空白试件略有增高,增高7%左右,掺量超过2%,7 d强度略有降低,降低了3%左右。高岭土与伊利土,在掺量小于6%时,试件的7 d强度相比空白试件强度有所提高,最大提高了13%。蒙脱土含量低于4%,高岭土与伊利土含量低于6%时,14 d强度比空白试件强度均有降低,最大降幅为14%,最小降幅为2%。在胶砂28 d与60 d后期强度中,蒙脱土含量低于4%时,28 d强度比空白试件略有降低,最大降幅为7%。高岭土在含量2%、伊利土在含量为2%或6%时,28 d强度略低于空白试件,但最大降幅也只有5%,而高岭土在含量为4%与6%、伊利土在含量为4%时,28 d强度要高于空白试件,但最大提升幅度只有0.7%。蒙脱土含量低于4%,高岭土与伊利土含量低于6%,60 d强度比空白试件强度均有降低,平均降幅为10%,并且下降幅度与试件14 d强度相比于空白试件的下降幅度持平,均为10%。总的来说掺三种黏粒的胶砂后期强度基本都较空白试件低。
图7 325目蒙脱土对胶砂强度影响
图8 325目高岭土对胶砂强度影响
图9 325目伊利土对胶砂强度影响
为进一步验证黏土细度对胶砂强度是否有影响,将325目、600目与1250目蒙脱土分别按照表3中的蒙脱土含量配比掺入胶砂中,试验结果如图10所示。从试验结果可以看出,蒙脱土在含量小于4%时,不同细度蒙脱土的7 d强度与14 d强度变化趋势基本保持一致,并没有明显变化。325目与1250目蒙脱土含量小于4%时, 28 d与60 d强度变化趋势基本保持一致,而600目蒙脱土在掺量为4%时,28 d与60 d强度变化趋势与325目与1250目蒙脱土略有不同,28 d强度略有提高,相比于325目提高了约12%,而60 d强度有所降低,相比于325目下降了约18%,但总体呈下降趋势。
图10 不同目数蒙脱土对胶砂强度影响
胶砂在掺入黏粒后最终强度会有所降低，可以认为是黏粒会对胶砂中的拌合水进行吸附,从而降低了胶砂的流动度,而且黏粒对拌合水的吸附会形成黏粒集合,这些黏粒集合较为松散,进而降低了胶砂的密实度,从而导致了掺入黏粒的胶砂的最终强度有所降低。
水泥净浆流动度及胶砂强度与黏粒种类、细度、掺量有关,也与水胶比有关。蒙脱土对净浆流动的影响最为显著,在无外加剂水胶比0.5的情况下,细度为325目的蒙脱土在掺量2%时,可使水泥净浆流动度下降24.3%;而在使用外加剂水胶比0.375的情况下,同等细度和掺量,下降幅度则超过70%。其他细度的蒙脱土虽然对净浆流动度也有明显影响,最大降幅为36%,但相对325目超过70%的降幅影响程度明显降低。伊利土无论在有无外加剂的情况下,即使掺量达到5%,也基本对净浆流动度无影响。高岭土只有在掺外加剂、水胶比较小且掺量较高的情况下，净浆流动度才有17.5%的降低,其他情况影响也较小。
蒙脱土掺量低于2%时,其7 d胶砂强度比空白试件略高,增高7%左右,但掺量超过2%则略有降低,降低了3%左右。高岭土和伊利土掺量小于6%时,7 d胶砂强度略高,最大增幅为13%。掺三种黏土的28 d胶砂强度与空白试件相比基本保持一致,最大升幅度只有0.7%,最大降幅也只有5%,平均变化幅度为降低约3%,而60 d强度则均有所降低,平均降幅为10%。这种强度随时间的变化规律与黏粒的细度没有明显的关系。
机制砂中的微细颗粒,是多种原生和次生矿物的混合体。其各种矿物成分的含量不同,对混凝土拌合物流动性及硬化后混凝土强度的影响也不同。
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