机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响.pdf
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1、第 42 卷 第 7 期2023 年 7 月硅 酸 盐 通 报BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETYVol.42 No.7July,2023机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响余 震1,2,孙江涛1,3,吴定略1,3,卢自立3,何 涛3,李志堂1,3,沈卫国1,2(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)摘要:为研究机制砂中泥粉对砂浆和混凝土性能的影响,使用蒙脱土、高岭土、伊利土三种泥粉以不同质量比取代机制砂制备砂浆和混凝土,测试不同种类
2、和含量泥粉下砂浆和混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能,并通过 X射线衍射(XRD)和压汞法(MIP)分析泥粉种类和含量对砂浆水化产物和孔结构的影响。结果表明,不同种类和含量泥粉的掺入会不同程度地降低砂浆和混凝土的工作性能。伊利土和高岭土在较低掺量下可以提高砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能,在较高掺量下会产生负面影响;而蒙脱土在较低掺量下就会降低砂浆和混凝土的力学性能和耐久性能。泥粉的掺入没有明显改变砂浆的主要水化产物种类,砂浆的孔隙率、平均孔径和累计孔体积会随着泥粉掺量的增加而增大。关键词:机制砂;泥粉;砂浆;混凝土;水化产物;孔结构中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号:1001-1
3、625(2023)07-2372-10Effect of Clay Powder in Manufactured Sand onProperties of Mortar and ConcreteYU Zhen1,2,SUN Jiangtao1,3,WU Dinglue1,3,LU Zili3,HE Tao3,LI Zhitang1,3,SHEN Weiguo1,2(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.S
4、chool of Materials Science and Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;3.Poly Changda Engineering Company Limited,Guangzhou 545000,China)Abstract:In order to study the effect of clay powder in manufactured sand on the properties of mortar and concrete,mortarand concrete were pr
5、epared by replacing manufactured sand with different mass ratios using montmorillonite,kaolinite andillite.The working performance,mechanical properties and durability of mortar and concrete with different types andcontent of clay powder were tested.And the effects of clay powder types and content o
6、n mortar hydration products and porestructure were analyzed by X-ray diffraction(XRD)and mercury pressure(MIP).The results show that the incorporationof different types and content of clay powder reduces the working performance of mortar and concrete to varying degrees.Illite and kaolinite improve t
7、he mechanical properties and durability of mortar and concrete at lower content,and have anegative impact at higher content.Montmorillonite reduces the mechanical properties and durability of mortar and concreteat lower content.The incorporation of clay powder does not significantly change the main
8、hydration product types of mortar,and the porosity,average pore size and cumulative pore volume of mortar increase with the increase of clay powder content.Key words:manufactured sand;clay powder;mortar;concrete;hydration product;pore structure收稿日期:2023-03-23;修订日期:2023-05-03基金项目:保利长大工程有限公司内部课题作者简介:余
9、 震(2000),男,硕士研究生。主要从事混凝土的研究。E-mail:2798787781 通信作者:沈卫国,博士,教授。E-mail:shenwg 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。蒙脱石第 7 期余 震等:机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响2373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
10、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
11、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
12、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 PO 42.5 水泥,基本物理性能参数见表 1。粉煤灰为
13、中电(普安)发电有限责任公司生产的级粉煤。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%。表 1 水泥的基本物理性能Table 1 Bas
14、ic physical properties of cementApparent density/(kgm-3)Standardconsistency/%Setting time/minInitial settingFinal settingSoundnessFlexural strength/MPaCompressive strength/MPa3 d28 d3 d28 d3 12525.6193242Qualified3.66.827.952.7表 2 泥粉的基本物理性能Table 2 Basic physical properties of clay powderMaterialPart
15、icle size/mDensity/(gcm-3)Specific surface area/(m2g-1)Montmorillonite252.4986.47Kaolinite252.7842.79Illite252.6334.922374水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷表 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 powderMaterialMass fraction/%SiO2SO3Fe2O3MgOCaONa2OAl2O3K2OLossCement22.382.
16、463.843.3359.2406.120.781.87Fly ash56.700.563.690.603.22029.710.671.37Montmorillonite62.190.052.264.582.000.5715.580.6510.88Kaolinite49.530.080.510.120.121.1247.700.160.36Illite67.490.021.373.122.800.6214.310.799.13表 4 集料的基本物理性能Table 4 Basic physical properties of aggregatesMaterialDensity/(kgm-3)Lo
17、ose heapTight heapApparentPorosity/%Crushvalue/%Clay lumpcontent/%Claycontent/%Powdercontent/%Methylene bluevalue/(gkg-1)Manufactured sand1 516.31 698.42 766.845.6914.621.81.314.51.5Crushed stone1 550.21 610.62 620.741.2810.100.30.8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Fi
18、g.2 Gradation curves of crushed stone1.2 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 concreteMaterialMix proportion/(kgm-3)CementFly ashMineral fineStoneManufactured sandWa
19、terAdmixtureMortar5100001 3502800Concrete37650759727601755.011.3 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 24192005)测定砂浆流动度,采用 BrookfieldDVNext 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 176712021)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 500822009)测定砂浆电通量,按照水泥胶砂干缩试验方法(JC/T 6032004)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
20、500802016)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 500812019)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 500822009)测定混凝土电通量。第 7 期余 震等:机制砂中泥粉对砂浆与混凝土性能的影响2375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 V9600 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 泥粉种类和含量对砂浆流动度的影响Fig.3 Effects of
21、clay powder type and content onfluidity of mortar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
22、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 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
23、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
24、 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2376水泥混凝土硅 酸 盐 通 报 第 42 卷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F
25、ig.5 Effects of clay powder type and content on working performance of concrete2.2 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,
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