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，湖北 武汉 430012）

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，湖北 武汉 430012）

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。

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[1]。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[2]。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[3]。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[4]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[5]。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 wt.%

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[6]、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。

[1]任勇．湖底砂对混凝土质量和经济效益的影响[J]．中小企业管理与科技，2015(12): 253-254．

[2]李崇智，祁艳军，何光明，等．机制砂石骨料与减水剂适应性的试验研究[J]．建筑材料学报，2008,6(11):642-646．

[3]王欣，李楠，仇影，等．骆马湖砂对预拌混凝土的影响及应对措施[C]．中国建筑学会建材分会混凝土外加剂应用技术专业委员会编．聚羧酸高性能减水剂及其应用进展 2015．北京：北京理工大学出版社，2015:50-57．

[4]吴昊．粘土对聚羧酸减水剂的影响机制及控制措施[D]．北京：北京工业大学，2012．

[5]孙继成．从业提醒——预拌混凝土质量事故 100 例[M]．北京：中国建材工业出版社，2012: 25-27．

[6]紫民，刘旷怡，刘松，等．珊瑚胶砂细骨料基本性能研究[J]．建材世界，2015,11(6): 11-14．

Analyze the influnce of river sand morphology on concrete flowability

Shan Jixiong, Shu Yunyan, Liang Zhongchun, Yang Qixin
(Second Harbor Engineering Fifth Engineering Branch Co., Ltd., of CCCC, Wuhan 430012)

This article made a detail analysis on poor fluidity and rapid slump loss of concrete caused by quality fluctuation of river sand. Fineness modulus, mud content and water absorption of saturated surface dry were testedamong the propertises of river sand. The effect of mud on water reducer dispersion performance was studied. The composition and surface morphology of river sand were measured. The results show that,the properties all meet the requirements of the specification. Mud didn’t show any obvious influence on water reducer performance. Through analysis of SEM, it found that there exist a lot of debris and holes in the surface of sand, which increase the water requirement and then lead to rapid slump loss.

river sand; morphology; concrete flowability

单继雄（1989—），男，工学硕士，助理工程师，从事公路桥梁试验检测工作。

［通讯地址］武汉市江岸区解放大道 2639 号 中交二航局五分公司（430012）