您所在的位置：首頁 > 專業(yè)文庫循環(huán)水洗機(jī)制砂殘留絮凝劑對(duì)混凝土性能的影響
孟慶超 1，毛永琳 1，張建綱 1，周棟梁 1，楊勇 1，王濤 2
（1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇南京211103；2.江蘇省功能性聚醚工程技術(shù)研究中心，南京博特新材料有限公司，江蘇南京210047）
【摘要】通過測(cè)試不同聚丙烯酰胺類絮凝劑殘留量機(jī)制砂的MB值及摻該機(jī)制砂混凝土拌合物施工性能、力學(xué)強(qiáng)度、干燥收縮率以及電通量，研究了循環(huán)水洗機(jī)制砂中殘留的聚丙烯酰胺類絮凝劑對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：機(jī)制砂中殘留的聚丙烯酰胺會(huì)劣化混凝土的流動(dòng)性，優(yōu)化混凝土的和易性和保水性，增大混凝土的含氣量和黏度，對(duì)混凝土的力學(xué)性能、干燥收縮和抗?jié)B透性無顯著影響。
【關(guān)鍵詞】聚丙烯酰胺；機(jī)制砂；混凝土流動(dòng)性；抗壓強(qiáng)度；干燥收縮；電通量
0 引言隨著環(huán)保管控，開采量下降使天然砂產(chǎn)量嚴(yán)重不能滿足建筑需求，機(jī)制砂已成商品混凝土生產(chǎn)的主要原材料[1]。機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量石粉，并很可能混入少量泥粉，兩者對(duì)混凝土性能有一定的負(fù)面影響[2-3]，需采取措施控制機(jī)制砂中石粉和泥粉含量。采用水洗方式去除機(jī)制砂中過多的石粉和泥粉是制砂企業(yè)常用工藝，但會(huì)產(chǎn)生大量的洗砂污水。為不污染環(huán)境，制砂企業(yè)通常采用添加絮凝劑的方式處理洗砂污水，并將上層清水再次循環(huán)洗砂，使一定數(shù)量的絮凝劑殘存于機(jī)制砂顆粒表面和機(jī)制砂所含水分中。
聚丙烯酰胺（PAM）廣泛用于洗砂污水絮凝劑。循環(huán)水洗機(jī)制砂中絮凝劑的殘留累積，是否會(huì)造成混凝土性能變化是混凝土生產(chǎn)企業(yè)待解決的問題。我國采用循環(huán)水洗機(jī)制砂工藝從近5年陸續(xù)盛行，行業(yè)對(duì)此問題的研究相對(duì)較少。少量的文獻(xiàn)主要集中于聚丙烯酰胺對(duì)水泥基材料流動(dòng)性的影響。彭文彬等[3]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚丙烯酰胺絮凝劑含量大于0.01%后，水泥砂漿的流動(dòng)性隨絮凝劑摻量增加而逐漸降低。吳井志等[4]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺絮凝劑使水泥凈漿流動(dòng)度降低，其中陽離子聚丙烯酰胺劣化水泥漿體流動(dòng)性的效能最大。馮偉康等[5]研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺絮凝劑在機(jī)制砂中殘留量大于0.05%后，混凝土流動(dòng)度損失增大。楊林和李從號(hào)[6]采用高摻量聚丙烯酰胺（占膠凝材料質(zhì)量的0.003%~0.08%）測(cè)試了其對(duì)水泥凈漿、混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺劣化水泥基材料流動(dòng)性，同時(shí)高摻量聚丙烯酰胺使混凝土強(qiáng)度降低。
循環(huán)水洗機(jī)制砂中可溶出的聚丙烯酰胺殘留量處于0.0002%~0.0020%（按占機(jī)制砂質(zhì)量計(jì)）。現(xiàn)有研究測(cè)試聚丙烯酰胺含量往往較實(shí)際高出10~100倍，使行業(yè)對(duì)絮凝劑殘留問題過度設(shè)防。且研究多關(guān)注絮凝劑對(duì)混凝土流動(dòng)性影響，而忽視混凝土其它性能可能發(fā)生的變化。本文從循環(huán)水洗機(jī)制砂生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，以聚丙烯酰胺常見殘留量為考察摻量，探討殘留聚丙烯酰胺對(duì)混凝土拌合物性能以及硬化性能的影響規(guī)律。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 原材料水泥：馬鞍山海螺水泥有限責(zé)任公司產(chǎn)海螺牌P·O42.5水泥，采用XRD內(nèi)標(biāo)法測(cè)得其礦物組成如表1所示，水泥的物理力學(xué)性能如表2所示。
粉煤灰：南京華能粉煤灰有限公司，F(xiàn)類Ⅱ級(jí)，需水量比95%，45μm篩篩余10.5%，燒失量1.35%。
礦粉：南京梅山海強(qiáng)新型建材有限公司，S95級(jí)，活性指數(shù)97%，比表面積455㎡/kg，流動(dòng)度比99%，SO3含量0.86%。
聚丙烯酰胺：愛森（中國）絮凝劑有限公司產(chǎn)，粉末狀，陰離子型，離子度25%，相對(duì)分子質(zhì)量1800×104。使用時(shí)，需提前24h與蒸餾水配制成0.1%濃度的水溶液。
砂：為能夠精準(zhǔn)計(jì)量絮凝劑殘留數(shù)量，采用了零絮凝劑殘留的干法生產(chǎn)機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.7，石粉含量7.1%，MB值0.8g/kg，表觀密度2690kg/m3，空隙率42%，顆粒級(jí)配見圖1。再使用濃度分別為0、0.005%、0.010%、0.020%、0.050%的聚丙烯酰胺水溶液，按溶液與機(jī)制砂的質(zhì)量比為1∶10混合制拌成絮凝劑殘留量分別為0、0.0005%、0.0010%、0.0020%、0.0050%的含水率為10%的石灰?guī)r機(jī)制砂。上述步驟需在混凝土拌合試驗(yàn)開始前（24±2）h進(jìn)行。
圖1試驗(yàn)用石灰?guī)r機(jī)制砂的粒度分布
石：5~25mm連續(xù)級(jí)配玄武巖碎石，表觀密度2930kg/m3，空隙率44%。
減水劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司產(chǎn)緩凝型聚羧酸高性能減水劑（PCA），含固量16%，按GB8076—2008《混凝土外加劑》參數(shù)，摻量1.0%時(shí)混凝土減水率為27.1%，初凝時(shí)間差+135min，終凝時(shí)間差+120min。
1.2 實(shí)驗(yàn)方法機(jī)制砂MB值測(cè)試：參照GB/T14684—2011《建設(shè)用砂》進(jìn)行。其中含水率為10%的濕機(jī)制砂不進(jìn)行烘干處理，直接稱取220g，而燒杯中預(yù)盛水量調(diào)整為（480±5）ml。
混凝土拌合物施工性能測(cè)試：采用商用C30混凝土，配合比見表3。石灰?guī)r機(jī)制砂中絮凝劑含量設(shè)計(jì)為0、0.0005%、0.0010%、0.0020%、0.0050%，編號(hào)分別為C30-ref、C30-PAM、C30-PAM10、C30-PAM20、C30-PAM50?；炷涟韬衔锏奶涠取U(kuò)展度、含氣量、倒置坍落度筒排空時(shí)間（倒筒時(shí)間）、泌水率和凝結(jié)時(shí)間參照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。
硬化混凝土性能測(cè)試：混凝土抗壓和抗折強(qiáng)度參照GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土干燥收縮測(cè)試和電通量參照GB/T50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，考慮到C30混凝土的電通量較高，數(shù)據(jù)離散性較大，不利于比較聚丙烯酰胺對(duì)其性能的影響差異，本次試驗(yàn)選取齡期為成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)180d。
2 結(jié)果與討論2.1 不同聚丙烯酰胺殘留量機(jī)制砂MB值的變化規(guī)律機(jī)制砂MB值是評(píng)價(jià)其吸附能力的關(guān)鍵指標(biāo)。循環(huán)水洗機(jī)制砂殘留聚丙烯酰胺絮凝劑對(duì)機(jī)制砂MB值的影響見表4。
由表4可見，隨著聚丙烯酰胺殘留量增加，機(jī)制砂MB值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但很顯然在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的范圍內(nèi)，機(jī)制砂MB值波動(dòng)幅度很小，從工程應(yīng)用實(shí)踐角度可忽略。本實(shí)驗(yàn)石灰?guī)r機(jī)制砂MB值小，含泥少，聚丙烯酰胺可吸附的絕大部分為純石灰?guī)r石粉，石粉吸附絮凝，減少裸露表面，有使MB值小幅下降的趨勢(shì)。
2.2 不同聚丙烯酰胺殘留量機(jī)制砂對(duì)混凝土施工性能的影響（見表5）
由表5可見：（1）隨著聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量的增加，混凝土拌合物初始流動(dòng)性下降，通過提高聚羧酸高性能減水劑用量，可實(shí)現(xiàn)混凝土初始流動(dòng)性接近一致，這種方案目前在實(shí)踐中被廣泛采用。比較聚丙烯酰胺殘留量與減水劑對(duì)應(yīng)增量，兩者基本呈一元線性正相關(guān)，減水劑用量隨聚丙烯酰胺殘留量的增量系數(shù)約0.26（kg/m3）/[PAM（0.001%）]。
（2）在提高減水劑用量的前提下，隨著聚丙烯酰胺殘留量的增加，混凝土拌合物和易性提高（見圖2），混凝土含氣量增大，泌水減少，倒筒時(shí)間延長(zhǎng)。殘留于機(jī)制砂中的聚丙烯酰胺在混凝土拌合物中發(fā)揮了增稠、保水、引氣作用，改善混凝土拌合物和易性，但同時(shí)也提高了混凝土拌合物的黏度，使混凝土拌合物在自身重力作用下的流速變慢。
圖2混凝土拌合物坍落狀態(tài)
（3）在提高減水劑用量的前提下，機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量對(duì)混凝土拌合物的2h流動(dòng)性損失無顯著影響，但對(duì)攪拌結(jié)束后到0.5h時(shí)間段內(nèi)混凝土流動(dòng)性有抑制作用。Hela等[7]認(rèn)為，聚丙烯酰胺通過吸附大量水泥顆粒形成纏繞顆粒團(tuán)，使混凝土屈服應(yīng)力提高，流動(dòng)性下降，但這一機(jī)制在頻繁剪切攪拌工況下會(huì)逐漸失效，即聚丙烯酰胺吸附水泥顆粒能力隨攪拌次數(shù)和時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。含聚丙烯酰胺的機(jī)制砂混凝土拌合物早期流動(dòng)性不佳，攪拌次數(shù)增多后，中后期流動(dòng)性恢復(fù)的表現(xiàn)與其相符。
（4）在提高減水劑用量的前提下，機(jī)制砂混凝土凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，應(yīng)主要?dú)w因于使用的緩凝型聚羧酸高性能減水劑，不宜直接建立聚丙烯酰胺殘留量與混凝土拌合物緩凝之間的關(guān)系。
2.3 不同聚丙烯酰胺殘留量機(jī)制砂對(duì)硬化混凝土性能的影響（見表6）
由表6可見：（1）機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量對(duì)混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度未見顯著不良影響，C30-PAM20和C30-PAM50組的強(qiáng)度略有下降，應(yīng)該與對(duì)應(yīng)組別的混凝土含氣量略高有關(guān)，所以在使用聚丙烯酰胺絮凝劑殘留的機(jī)制砂時(shí)，為提高強(qiáng)度保證率，應(yīng)采用措施調(diào)控混凝土的含氣量至常規(guī)范疇。文獻(xiàn)[6]指出，聚丙烯酰胺顯著降低混凝土力學(xué)強(qiáng)度的測(cè)試條件是其用量為0.010%~0.080%時(shí)，為實(shí)際循環(huán)水洗機(jī)制砂中絮凝劑殘留量的4~20倍，與實(shí)際應(yīng)用情況有較大差距。
（2）機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量未見對(duì)混凝土的56d電通量有顯著影響。隨機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量的增加，混凝土的56d電通量略有下降，但下降幅度小于3%。隨著機(jī)制砂中殘留的聚丙烯酰胺含量的增加，混凝土的和易性明顯改善，混凝土拌合物含氣量提高1.1~2.5個(gè)百分點(diǎn)，有利于硬化混凝土內(nèi)部骨料均勻分布，提高水泥漿體的抗?jié)B透性，使相應(yīng)組別混凝土的56d電通量略有降低。
圖3聚丙烯酰胺殘留量對(duì)混凝土干燥收縮的影響
由圖3可見，機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量對(duì)混凝土的干燥收縮沒有顯著影響。與基準(zhǔn)組相比，4組混凝土同期干燥收縮率的波動(dòng)范圍小于10%，說明聚丙烯酰胺絮凝劑與混凝土干燥收縮之間無顯著相關(guān)性，且在7d測(cè)試齡期內(nèi)，聚丙烯酰胺絮凝劑殘留組別混凝土干燥收縮較對(duì)比組更低，所以聚丙烯酰胺在機(jī)制砂中殘留不會(huì)增大機(jī)制砂混凝土的收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)。
3結(jié)論根據(jù)循環(huán)水洗機(jī)制砂常見絮凝劑種類及殘留量，本研究控制石灰?guī)r機(jī)制砂中聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量為0.0005%~0.0050%，在此前提下研究發(fā)現(xiàn)：
（1）隨著機(jī)制砂中聚丙烯酰胺絮凝劑殘留量的增加，混凝土拌合物初始流動(dòng)性下降，提高聚羧酸高性能減水劑用量，可實(shí)現(xiàn)混凝土初始流動(dòng)性接近一致。同時(shí)混凝土拌合物含氣量增加，需采取措施調(diào)控，減少對(duì)抗壓強(qiáng)度的不利影響?；炷涟韬衔锖鸵仔院捅Ｋ詢?yōu)化，但拌合物黏度略有增加。
（2）機(jī)制砂中聚丙烯酰胺殘留量未見對(duì)機(jī)制砂MB值、硬化混凝土力學(xué)性能、干燥收縮率、56d電通量等有顯著影響。在循環(huán)水洗機(jī)制砂實(shí)際應(yīng)用過程中可不必過度采取措施防范，減少不必要浪費(fèi)。
參考文獻(xiàn)[1] 陳家瓏.我國機(jī)制砂石行業(yè)的現(xiàn)狀與展望[J].混凝土世界，2011（2）：62-64.[2] 毛永琳，朱江，楊勇，等.機(jī)制砂中的石粉對(duì)水泥漿體流動(dòng)性和干燥收縮的影響[J].混凝土，2019（2）：76-79.[3] 彭文彬，張榮華，吳鑫.高品質(zhì)機(jī)制砂制備低膠材混凝土的試驗(yàn)研究[J].混凝土世界，2021（10）：56-60.[4] 吳井志，單廣程，陳健，等.絮凝劑在機(jī)制砂中的應(yīng)用及其對(duì)減水劑分散性的影響[J].新型建筑材料，2021（11）：53-55.[5] 馮偉康，謝宇晨，徐強(qiáng)，等.機(jī)制砂石中絮凝劑對(duì)混凝土質(zhì)量的影響[J].商品混凝土，2020（8）：42-45.[6] 楊林，李從號(hào).絮凝劑（PAM）對(duì)水泥（膠材）凈漿及混凝土性能的影響[J].混凝土世界，2021（4）：80-83.[7] Hela Bessaies-Bey，Robert Baumann，Marc Schmitz，et al.Effect of polyacrylamide on rheology of fresh cement pastes y[J].Cement and Concrete Research，2015，76：98-106.
來源：《新型建筑材料》
分享：
中國砂石協(xié)會(huì)
2023年01月25日
