含泥量对混凝土性能的影响及解决方法

一克拉的幸福6 2016-10-02

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混凝土作为建筑工程中的主要材料，在我国每年使用量大约在几十亿吨左右。每年消耗的水泥，砂石等原材料也非常巨大，造成现在质量优异的砂石已经大量被消耗，储存量越来越少^［1］。而现在混凝土中所用的砂石中含泥量较多，严重影响了混凝土的性能，造成混凝土的和易性变差，坍落度经时损失增加，体积稳定性、耐久性变差^［2］。

混凝土中的泥一般来源于粗骨料和细骨料，标准JGJ52－2006《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》中规定粒径＜0．075mm的颗粒称为泥^［3］。这些泥颗粒中有粘土颗粒也有一部分的岩石碎屑，一般很少具有胶凝性质。但是颗粒较小，具有较大的比表面积。

本文在其他学者的研究基础上，针对泥对混凝土性质的影响规律、主要研究方法、影响机理及主要对策进行了阐述，为工程人员在解决含泥量对混凝土影响的问题上提供一定的借鉴与参考。

1 泥颗粒的主要来源与成分

混凝土原材料中泥主要来源于细骨料和粗骨料中，北京工业大学王子明等人调研发现北京地区的天然砂子的含泥量一般在百分之六到百分之八，有的能达到百分之十^［4］。这些天然河砂中的粘土颗粒主要是来源于河底的泥土，相对于山砂来说，河砂中的含泥量比较少。山砂中在开采的时候混入的泥会更多。人工砂在破碎的时候会混入较多的泥土颗粒。对于粗骨料来说，其中的泥来源开采与破碎过程中。一些粘在骨料表面的黏土得不到清洗，直接进行破碎，造成粗骨料中含有较多的泥。

含在骨料中的泥颗粒主要是黏土矿物，这些黏土矿物的主要成分为高岭土，蒙脱土，伊利土。主要为层状硅酸盐矿物，由铝硅酸盐组成的结晶水合物。蒙脱石是由二层硅氧四面体片与其间的铝氧八面体片相结合形成的，铝氧八面体与硅氧四面体通过中间的氧原子进行连接，结构中的高价Al³⁺常常被低价态的Mg²⁺，Fe²⁺替代，Si⁴⁺常常被Al³⁺替代，导致蒙脱石带有多余的负电荷。并且结构中层与层的联接力比较弱，使得蒙脱石具有强烈的吸水性、膨胀性。高岭石也是由硅氧四面体片与铝氧八面体片组成，但是结构片层是堆垛而成，联接片层的静电力比较强，使得高岭石吸水不会膨胀。伊利石是由层间的钾离子与层状结构联接，使得结构比较稳定，伊利石吸水后不会膨胀^［4］。

2 含泥量对混凝土性能的影响

2．1含泥量对混凝土工作性的影响

混凝土的工作性对混凝土施工具有重要的意义，良好的混凝土应该具有较好的工作性，许多的学者研究认为原材料中的含泥量会对混凝土的工作性带来严重的危害

2．1．1含泥量对混凝土拌合物本身的影响

对于含泥量对混凝土工作性的影响，现代一般利用黏土颗粒来替代一部分的砂子，用砂浆扩展度方法或者混凝土坍落度的方法来测定。

由于黏土中含有大量的吸水矿物，在混凝土拌合的时候，由于加入的拌合水是一定的，黏土颗粒吸收大量的拌合水，使得用于流动的拌合水变少，另外蒙脱土吸水之后，由于结构中的层间距加大，吸水膨胀，导致混凝土拌合物更加粘稠，流动性变差。蒙脱土自身不具有水化性，混凝土硬化后，蒙脱土里的水蒸发或着参加其他物质的水化，导致蒙脱土体积收缩，造成体积稳定性变差，产生很多微细的小裂纹。如果为了满足混凝土和易性的要求，多加水，一部分被泥颗粒吸收，剩下的用于混凝土的流动，这样会对混凝土的强度造成严重的威胁。在不掺加外加剂的情况下，刘国栋等人^［5］认为在其他条件不变的情况下，砂子中的含泥量＜3%时，混凝土的工作性影响较小但随着含泥量的增加混凝土的坍落度不断降低，当大于3%时，混凝土的工作性就会受到很大的影响。王春发^［6］利用砂浆稠度的方法来表征了含泥量的影响，结果表明: 泥含量越多，砂浆稠度越大，水泥用量越大，效果越明显。对于混凝土黏聚性方面，他们认为，如果砂子里少了＜0．075mm的颗粒，混凝土很容易出现泌水现象，拌合出来的混凝土显比较干，涩。因此适宜含量的＜0．075mm 颗粒对于混凝土黏聚性保水性有一定的好处，在含泥量为砂子质量5%时，和易性良好，但是达到10%时候，混凝土的泌水又更加明显。含泥量不仅对于混凝土的初始坍落度有些影响，对于混凝土的坍落度经时损失也有较大的危害。

2．1．2 含泥量对减水剂的影响

减水剂是现代混凝土中的一个十分重要的组分，骨料中的含泥量对对于不同种类的减水剂造成的影响程度也不一样，李进辉等人^［7］研究发现，含泥量增多对于混凝土的工作性会产生不利的影响，在保持混凝土坍落度不变的情况下，减水剂的掺量随着含泥量的增加逐渐增加; 仇影^［8］研究在C40混凝土中不同的泥含量对于不同种类的减水剂的影响，随着含泥量的增加，掺有萘系减水剂，聚酯类的聚羧酸减水剂，聚醚类的聚羧酸减水剂，混凝土的初始坍落度，1h、2h的坍落度经时损失都会有不同程度的降低。当混凝土中的含泥量小于3 %以下时，含泥量对于这三种减水剂的影响较小，含泥量在7%左右时，含泥量对萘系减水剂的影响大于两种聚羧酸减水剂。其中影响最小的是聚酯类的聚羧酸减水剂。当含泥量超过15%时，萘系减水剂受到的影响小于两种聚羧酸减水剂的影响。对于不同强度的混凝土，水泥用量不同，水泥用量越大，含泥量越多，含泥量对减水剂的影响就会越大。

2．2 含泥量对混凝土力学性能的影响

含泥量对混凝土的工作性产生较大的影响，对与强度来说影响的效果也比较大。李进辉等人^［7］在保持混凝土工作性一致的情况下，研究了不同泥含量对于混凝土7d、28d混凝土强度的影响，总体上，混凝土的强度随着含泥量的增加而减小。当含泥量≤1．5%的情况下，混凝土强度受到的影响较小，当＞ 1．5的时候，混凝土的强度明显下降。但也有研究认为混凝土中泥含量较少的时候，强度还会略微的升高。赵尚传等^［9］认为: 含泥量小于1%的情况下，混凝土的强度略微的上升，而混凝土的弯拉强度随着含泥量增加而降低，7d、28d的弯拉强度都会随着含泥量的增加而明显降低，但他们降低的幅度不一样，但是要含泥量＞5%时候，混凝土28d的弯拉强度最少降低5% ，含泥量超过10%的情况下，其弯拉强度降低达到10%以上，对于水泥用量少的混凝土，降低的幅度更明显。从试验结果中看出，随泥掺量的增加，混凝土抗压弹性模量变化很小，基本无变化，而弯拉弹性模量随着含泥量的增加明显下降。刘国栋等人^［10］研究认为: 当砂子中含泥量＜2%的情况下，基本对混凝土无影响。当＞2%时含泥量对混凝土的强度的影响比较明显。当砂子的泥含量提高2%时混凝土的强度就降低5%左右。仇影^［8］研究认为: 当混凝土骨料含泥量＜2%时，混凝土的抗压强度随含泥量的增加而增加，当混凝土中的含泥量＞2%时候，混凝土的抗压强度强度连续降低，在相同水灰比条件下，掺聚羧酸外加剂的混凝土的抗压强度要高于同条件下掺加萘系减水剂的混凝土的抗压强度。

2．3 含泥量对混凝土耐久性能的影响

混凝土的耐久性是混凝土的一个重要的指标，直接影响了建筑物的寿命。因此越来越受到人们的重视。混凝土中的含泥量也严重影响着混凝土的耐久性。袁杰等人^［11］把粗骨料中泥分为石粉与黏土两种成分来分别研究两者对混凝土耐久性的影响。发现骨料中的黏土的含量越多，混凝土的氯离子扩散系数越高，抗渗性能越差，收缩值越大。石粉含量越高，混凝土的氯离子扩散系数越低，抗渗性能越好，收缩值越大。黏土含量越多，C60混凝土受到的影响大于C30混凝土。石粉含量越高，C30混凝土受到的影响大于C60混凝土。当混凝土中细骨料粘土含量为5%的C30混凝土45d收缩值比增加大约20%; C60混凝增大了大约10%，碎石中石粉含量为2%时混凝土45d的收缩值比大约增加了10%。赵尚传等人^［9］研究发现: 粗骨料中含泥量在1%时，抗渗性受到的影响很小，抗冻性略有降低，当含泥量为10%时，抗渗性明显下降。而含泥量＞5%混凝土抗冻性能受到严重影响。

3 含泥量对混凝土性能影响的机理

由于掺入混凝土中的泥颗粒表面比较粗糙，混凝土流动时，摩擦力增加，导致坍落度下降，像高岭土，蒙脱土泥颗粒极易吸水，使得拌合水减少，蒙脱土吸水后，体积膨胀，导致混凝土粘度增加，混凝土的流动性变低。还有一个主要的原因是，黏土颗粒与水泥颗粒对减水剂竞争吸附，导致吸附在水泥颗粒上的减水剂分子大大降低，王子明等人^［4］研究认为，聚羧酸减水剂由于黏土颗粒的化学吸附，会与黏土内层结合形成有机矿相，导致聚羧酸外加剂失效，黏土吸水后体积膨胀，形成非渗透膜，导致减水剂分子无法与水泥粒子结合。减水剂分子被吸收到黏土矿物表面，如蒙脱土把聚羧酸减水剂吸附到表面，在相互作用的时候，还会把聚羧酸减水剂的侧链吸附到蒙脱石分子的层间结构中，牢牢的将聚羧酸减水剂分子锚固在蒙脱石分子的层间。这些原因都会导致混凝土的和易性变差，混凝土的经时损失变大。

在硬化混凝土结构中，泥的存在一方面会阻碍水泥石与集料之间的粘结，容易形成结构的薄弱区。使得混凝土的强度下降弹性模量下降，另一方面，由于泥颗粒极细，比表面积大，而且不会水化。导致吸收了大量的自由水，这些自由水蒸发后，体积会大幅度的降低，导致混凝土中泥存在的区域，形成严重的薄弱区，导致混凝土的体积稳定性下降，而且抗渗性，抗氯离子渗透性变差。但是少量的泥存在的情况下，相当于微集料填充了混凝土中的孔隙，使得混凝土的强度基本无变化或者略有上升，混凝土的弹性模量基本无变化。而石粉不会像泥颗粒那样大量吸水，体积膨胀，在少量存在的时候，可以起到微集料的作用，可略微增加混凝土强度，提高混凝土的抗渗性能和抗氯离子渗透的作用。

4 解决混凝土含泥量影响问题的主要措施

混凝土中的含泥量在比较低的时候，影响较小，但是泥含量过高，会带来严重的危害，因此在混凝土生产的时候，必须对高含泥量的骨料采取一定措施，减小高泥含量对混凝土性能造成的危害，一般主要采取以下三种措施。

4．1 加强砂石原材料的质量控制

由于现在砂石资源的大量开采，造成质量好的砂石存量越来越少，而在生产砂石的现场中由于质量控制措施不到位，导致砂石中的含泥量过高。一方面在生产过程中，应该减少砂石中混入的泥，减少骨料中的含泥量，另一方面，如果骨料中的泥含量过高，应该进行水洗，但是在水洗的时候，尽量避免砂子中的细颗粒被冲洗掉。虽然水洗，可以减少砂石中的含泥量，但是水洗的过程中加大了工作量与成本。

4．2 采用对泥含量不敏感的减水剂

现代工程上常常增加聚羧酸减水剂的掺量，让一部分减水剂吸附到泥颗粒上，来减小高含泥量对混凝土的危害，虽然这种方法最为直接，简单，但是这样使得成本大量增加，另外聚羧酸外加剂的掺量过大，又会带来给混凝土的和易性带来不良影响，采用对含泥量不敏感的减水剂是一个重要的措施，L，Lei 等人^［12］利用MAA 加羟烷基甲基丙烯酸酯的聚羧酸外加剂，对黏土有很好的适应性。潘瑞娜等人^［13］合成了三种不同特征的聚羧酸减水剂，可以根据工程现场实际，进行不同比例的调配，来减少高含泥量对混凝土性能的危害，这种方法切和工程实际，方法较为直接。吴华明等人^［14］通过在增加聚醚支链的长度，并引入膦酸或者磺酸基，合成了一种新型接枝共聚物超塑化剂，减水率可以达到30%，对泥含量的容忍度也非常高。新合成的这些聚羧酸外加剂，在实验室中取得了良好地效果，但是工程实际应用还比较少，成本相对也比较高^{［15、16］}。

4．3 制备新的抗泥添加剂，减少泥对混凝土性能的影响

现在常用的抗泥添加剂一种是和聚羧酸竞争吸附力强的小分子表面活性剂，一种是阳离子型的小分子表面活性剂。由于黏土颗粒带负电，阳离子型小分子表面活性剂，可以通过静电吸引力，吸附在黏土颗粒上，还有的小分子颗粒可以被吸附在黏土的层间结构中，由于范德华力，氢键等作用，使得黏土颗粒在吸水之后，减少黏土颗粒的体积膨胀。王子明、梁慧等人^{［17－19］}选用了一种小分子聚合物和聚羧酸外加剂复配，在砂浆中实验，取得了良好的效果。肖怀芬等人^［20］研制了一种Z剂可以骨料中的高含泥量对混凝土的影响。通过与聚羧酸减水剂，萘系减水复配均取得了较好的效果。但是大多数的抗泥添加剂还在实验阶段，用在工程实际的较少。

5 结语

混凝土骨料中含有较少的泥的情况下，对混凝土性能的影响较小，还可能提高混凝土的黏聚性、保水性、强度等，但混凝土中的泥含量过高，将会给混凝土带来严重的危害。现在工程上常用清洗砂石，增加减水剂含量的方法来减少危害^{［21、22］}。对泥高容忍度的聚羧酸减水与一些添加剂已经研究出来，但是在工程实际用的比较少，需要在实验室的基础上，加大在工程实际上的应用，来解决高含泥量对混凝土性能危害的问题。

参考文献

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