河砂表面形貌对混凝土流动性的影响分析

河砂表面形貌对混凝土流动性的影响分析

单继雄，舒云艳，梁忠春，杨琪鑫

（中交二航局第五工程分公司）

 

摘要

本文通过对河砂基本参数进行检测，结合成分分析及表面形貌观察，分析了一起特殊的、由河砂质量波动引起的混凝土出机流动困难且迅速失去流动性的案例。试验结果显示，导致混凝土流动困难的河砂细度、含泥量、饱和面干吸水率均符合规范要求，河砂中的泥成分对减水剂分散性亦无明显影响。而在电镜观察下显示河砂表面存在大量碎屑与孔洞，此应为河砂需水量大，进而导致混凝土流动困难主要原因。

关键词：河砂；表面形貌；混凝土流动性

1 序言

在工程施工过程中，浇筑的混凝土除应符合强度要求外，工作性也尤为重要。现阶段我国基础设施建设工程量巨大，原材料出现质量波动难以避免，尤其是砂的细度模数、级配、含泥量等均对混凝土流动性有显著影响。河砂级配差时，空隙率增大，导致水泥浆不能很好填充河砂的孔隙，使流动性下降；砂中所含泥可以吸附混凝土减水剂，加快混凝土拌合物的坍落度损失；河砂的饱和面干吸水率大，会吸附拌合物中的自由水，导致混凝土的工作性下降。因此在河砂品质发生变化时，对于混凝土的工作性状态需要关注。

2 混凝土工作性描述与初步分析

在生产过程中按设计配合比进行混凝土配制时，测试混凝土的出机坍落度仅为150mm，低于设计要求的200～210mm。出机后 20min 混凝土迅速变干、变硬，混凝土强度等级高时此现象更为显著，且增加减水剂掺量后流动性没有明显改善，只能通过增加用水量来调节流动性，但会影响混凝土的强度。更换河砂后，混凝土工作性满足设计要求。

出现上述问题常见的原因有：水泥及矿物掺合料与减水剂的适应性差，环境温度高、湿度小，集料的品质差等。更换河砂后混凝土工作状态良好，排除了水泥及粉煤灰与减水剂相容性差的可能。由于混凝土状态异常时气温为12℃，故也排除了高温对混凝土坍落度损失的影响，所以推测混凝土流动性差由集料质量波动所致。造成这种现象可能的原因有：（1）河砂级配差、细度模数小；（2）河砂含泥量高或泥中含有强吸附成分；（3）河砂饱和面干吸水率高；（4）河砂的其他性质，如矿物成分、表面形貌等。下面通过试验对上述几种可能进行验证。

3 原材料与试验方法

3.1 原材料

试验用水泥为武汉亚东水泥厂生产的 P·O42.5水泥，减水剂为中交二航港湾新材料公司生产的CP-J聚羧酸高性能减水剂，含固量34.2%，减水率30.2%。河砂B（白砂，配制混凝土流动性差）、H（黄砂，配制混凝土状态较好）取自湖南某地。试验用原材料与现场施工使用原材料一致。

3.2 试验方法

（1）对河砂B、H进行细度模数、含泥量、饱和面干吸水率测试。测试方法按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行。

（2）为检验河砂中泥的成分对减水剂对水泥分散效果的影响，将烘干后的河砂B过0.075mm方孔筛，取筛底部分分别以0.33%、1%和3%的比例外掺至水泥中，进行水泥—减水剂净浆相容性试验。试验按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行。

为进一步确认河砂B中是否含有膨胀性粘土，进行亚甲基蓝快速试验，试验方法参照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行。

（3）为更直接地观察河砂的影响，使用砂浆代替混凝土作为研究对象。将河砂B烘干后并取河砂 H 做砂浆流动度对比试验以研究河砂B对砂浆流动性的影响。试验方法按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行。砂浆配合比见表1。

表1 水泥胶砂流动度测试

 

（4）对河砂B、H进行XRD、XRF与SEM测试，观察两种河砂是否存在成分与表面形貌上的差异。

4 试验结果与分析

4.1 河砂性能测试

河砂B、H的细度模数、含泥量测试结果如表2所示。从表中可以看出河砂B细度模数为2.8，属于II区中砂，符合规范要求。所以混凝土流动困难应不是由河砂较细导致的。

表2 河砂的性能参数

 

河砂B的饱和面干吸水率为0.8%，属于正常值范围，且低于河砂H。从试验结果来看河砂B吸水率大导致混凝土流动困难的假设不成立。河砂B含泥量为0.8%，符合规范要求。有文献显示，河砂中泥含有蒙脱土成分时，含泥量在1%左右即可对聚羧酸减水剂产生明显的吸附，显著影响混凝土的流动性。所以河砂中泥含量对混凝土工作性的影响不能完全排除。需要继续通过试验进行验证。

4.2 河砂泥成分对减水剂分散效果的影响

表3为水泥净浆流动性测试结果。从表中可以看出，水泥浆体的扩展度随泥粉掺量的增加并没有明显变化，且各浆体成型一小时后均未出现明显的流动性损失。由此可见，该河砂中泥成分并未对减水剂产生明显的吸附。河砂B的快速亚甲基蓝试验结果显示为阴性，即无明显膨胀性粘土成分存在，排除了砂中泥含有蒙脱土的可能。通过上述试验认为混凝土流动性差不是由河砂中泥成分对减水剂吸附造成的。

表3 水泥净浆流动度测试

 

4.3 砂浆流动性测试

砂浆流动度对比试验结果如表4所示。通过B-50-0、B-55-0、H-36-1组比较可以发现河砂B的需水量要明显大于河砂H。当水胶比为0.5时，使用河砂B配制的砂浆流动度小，且迅速变干。提高水胶比至0.55 时，可以顺利成型，但扩展度较小。通过B-55-0、B-45-1、B-40-1.5组比较发现，使用河砂B且当水胶比降低至一定程度时，增加减水剂掺量也无法改善砂浆的流动性。通过B-55-0、B-45-1，H-50-0、H-36-1组比较发现，若以达到相同扩展度计算减水率，使用河砂B时，减水剂的减水率18.2%，而使用河砂H为28.0%。比较出机扩展度与1h后扩展度发现，使用河砂B的砂浆流动性损失较为明显。

表4 砂浆流动度测试结果

 

通过对试验结果的分析认为河砂B需水量大，且在制备砂浆或混凝土时，其会从拌合物中吸附大量的水分。此结论可以较好地解释配制较高强度等级混凝土时出现流动性差、迅速变干，以及在此情况下加掺减水剂没有明显改善的原因。即由于河砂B吸附大量的水分导致混凝土各颗粒间起润滑作用的水分减少，混凝土流动困难。随着水泥水化的进行，使得颗粒间的水膜进一步减薄，从而出现明显流动性损失。高强度等级混凝土由于水胶比较低，当河砂吸附大量水分后，用于水泥水化和起润滑作用的水分就显得更为贫乏。而减水剂只能对水泥和掺合料起分散减水作用，无法释放被河砂吸附的水分。实际过程中就表现为即使超掺减水剂，混凝土的流动性也没有明显改善。

4.4 微观测试

通过4.1部分试验结果认为河砂B的含泥量及饱和面干吸水率均较小，但4.3试验结果显示河砂B实际需水量又很大。为此认为可能与河砂的矿物成分或表面形貌有关。河砂B、H的氧化物测试结果如表5所示。由表中可知，河砂B和河砂H的氧化物组成以及相应含量均比较接近，主要成分为SiO2。XRD测试结果如图1所示。从图中可知，河砂B和河砂H的衍射峰的位置与强度均比较接近，主要矿物成分为石英，印证了氧化物测试结果。通过上述试验认为两种河砂的成分无明显差异，不是导致河砂B需水量大的主要原因。

图2为扫描电镜下河砂的表面形貌。从图中可以看出，河砂H表面平坦光滑、结构致密，而河砂B颗粒表面疏松多孔，存在大量细小的石屑。分析认为河砂B的表面形貌使其具有更大的表面积，从而吸附更多的水分，导致混凝土拌合物中自由水减少，流动变得困难。

表5 河砂的氧化物成分分析

图1 河砂的矿物成分分析

图2 河砂的微观形貌观察
 

5 结论

（1）通过试验认为导致混凝土流动困难及迅速变干的原因在于河砂B需水量大，与河砂的细度模数、含泥量及泥的成分无关。河砂B需水量大与其表面存在大量的碎屑与孔洞有关，而与矿物成分无关。

（2）饱和面干吸水率试验有时并不能真实的反映河砂实际的需水量。

（3）河砂需水量大的情形相对于珊瑚砂、机制砂较为罕见。使用河砂B配制的混凝土其特殊性表现在于出机流动性差，增加减水剂掺量没有明显改善，且混凝土迅速变干、变硬。进场时可用水泥胶砂流动度进行判别。当没有可替代材料时可以在水胶比不变的情况下增大胶材用量或与质量较好的河砂掺配，或用在附属结构。

相关知识：

天然石英砂、河砂、海砂的区别及各自的用途

天然石英砂

天然石英砂具有SiO2含量高,含泥量低,粒度组成均匀合理,颗粒圆整、表面光洁、流动性好。

石英砂含二氧化硅，其莫氏硬度高，与河砂的区别较大，石英砂采自石英矿床，经机械破碎、磨细，在机械力的作用下，成不规则的多菱角形状，与水泥浆料形成较强的粘接力，增强浆料的抗折、抗压强度，有利于聚苯颗粒保温浆料整体强度的提高。山砂与河砂相比有棱角,表面粗糙,含泥量和含有机杂质较多；海砂虽然有河砂的优点,但常混有贝壳碎片和含较多盐分.大部分海砂含有过量氯离子，会腐蚀钢筋混凝土当中的钢筋,最终导致建筑结构的破坏,在一定程度上会缩短建筑物的安全使用寿命。 一般工程上多使用河砂,如使用山砂和海砂应按技术要求进行检验。

天然石英砂(山砂)用途：天然石英砂（山砂）用优质的石英砂为原料专门为体育运动场馆设计生产的草坪专用产品具有硬度高、比重大、粒度均匀、棱角小颜色自然等特点，对人造草坪损伤小、形成保护草毛的作用，使草坪更为耐用。得到了国内多家大专院校体育场馆的应用，石英砂是现代田径场、足球场、高尔夫球场等人造场地套使用的理想材料。

河砂

河砂是天然石在自然状态下，经水的作用力长时间反复冲撞、摩擦产生的，其成份较为复杂、表面有一定光滑性，杂质含量多。河砂没有味道,海砂有盐味 河砂颗粒圆滑，比较洁净，来源广。

用途： 河砂即为水泥标准砂，多用于建筑、混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等。河砂还可应用于铸造、锻造机、冶金、热处理、钢结构、架结构、集装箱、船舶、修造、桥梁、矿山、等领域的清砂、除锈、强化、成形、消除应力及各种型材的表面清理和涂装、电镀前的粗糙度（拉毛）预处理、切割、磁丸铸造、作为重型混凝土及高温耐火材料的添加剂，以增加其耐磨性，耐高温性，抗冲刷性、静电屏蔽、防辐射、油井的过滤罐、配重等等。

海砂

海砂用途： 机械、 铸造型砂的主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等），清砂、除锈、去除氧化皮处理陶瓷及耐火材料瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料，冶金 硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂、熔剂。

河砂与机制砂使用现状

近年来，随着各项建设事业的不断发展，对混凝土的需求量越来越多，而砂作为混凝土生产必不可少的一部分，对于混凝土的性能也有着较为重要的影响。在工程建设领域应用的砂的种类主要有河砂与机制砂，河砂作为一种资源，主要分布在河流的流域范围内，随着大量无节制的开采，目前天然河砂的利用普遍面临着开采难度大，河砂采购成本投入较大，资源不断减少的问题，这些都对工程建设项目的实施产生了不利的影响。此外，由于部分河砂由于含泥量较高，质量较差，反而影响了混凝土的强度及稳定性。面对河砂资源匮乏，价格较高以及质量控制困难的情况，寻找其替代材料成为混凝土用砂的研究重点。

在混凝土中针对河砂替代的应用较多的主要是机制砂。机制砂是指经过碎石机械破碎加工以及筛分处理，得到的粒径在5.00mm以下的碎石微粒。对于混凝土中机制砂的应用方法一般为全部或者按部分比例替代河砂，从而解决河砂匮乏及成本过高的问题。机制砂的主要特点有：机制砂中石粉含量相对较高；机制砂由于经过破碎处理，因此颗粒呈不规则的形态，而且机制砂的比表面积相比河砂更大；机制砂的粘结性能较好，石质坚硬。但是由于部分设计施工以及监理单位，对于混凝土中应用大量机制砂持有怀疑态度，认为其对混凝土性能会差生不利的影响，对机制砂的认识不足，限制了机制砂的进一步应用。此外，由于机制砂的生产一般在尾矿或者山区附近，因而难以像河砂一样运输灵活，影响了混凝土生产方对机制砂的使用积极性。因此，深入开展河砂与机制砂对混凝土性能影响的对比研究，并明确其质量控制标准，对于促进机制砂与河砂的优化选择具有重要的意义。