关键词：硅酸盐水泥砂浆；机制砂；絮凝剂；流动度；凝结时间；力学性能；微观结构；外加剂

                       0 引言

                        经过多年快速建设，河砂作为混凝土基本原材料之一，正快速枯竭，多地面临用砂困难甚至无砂可用的困境，且过渡开采河砂导致了严重的环境与生态问题。为解决河砂枯竭带来的问题，建筑工程领域正逐渐采用机制砂代替河砂。机制砂是通过破碎大理石或花岗岩等石材获得，在生产过程中会产生大量粉尘，为降低制砂过程中的粉尘污染，同时去除机制砂中的杂质，常采用水洗的方式处理。而制砂企业为降低生产成本并满足环保要求，会在洗砂水中加入絮凝剂来加速污水悬浊物的沉淀，从而能够快速有效地对洗砂后的污水进行循环利用[2]。目前，各国学者[3-6]对机制砂混凝土的相关研究已逐渐展开，相关研究[7-8]结果表明机制砂完全可替代河砂作为混凝土的细骨料。但机制砂普遍存在残留絮凝剂的问题，对混凝土性能有较大幅度的影响，因此探究絮凝剂对混凝土性能的影响机制及解决其不利影响受到了越来越多科研工作者的重视。

                       目前，市面上常用的絮凝剂有聚丙烯酰胺（polyacrylamide, PAM）和聚合氯化铝（polyaluminium chloride, PAC）。PAM 分子链上含有亲水性极高的酰胺基团，使其能以非常的高比例溶于水中。PAM通过带正（负）电的基团与水中带有相反电性的难溶颗粒相互靠近，降低其电势，利用絮凝剂的聚合性集中这些颗粒[9]。其中，PAM 中的阴离子型（APAM）和非离子型（NPAM）常被用来沉淀机制砂中的粉尘。APAM 絮凝效果好，价格较低，是洗砂厂最常用的絮凝剂。NAPM 适用于酸性污水的处理，在洗砂工业中的絮凝效果没有 APAM 好。PAM 水解释放出的 NH3 会与水泥浆中的 Ca2+、Al3+等金属离子发生反应，生成黏稠状的离子键化合物，填充于混凝土空隙之中，影响混凝土性能[10]。

                         研究表明，PAM 会降低混凝土抗压强度，延缓水泥凝结时间，提高抗渗性并增加耐磨性。而且相关研究表明，PAM 在水中溶解成多电荷大分子量的离子，同性电荷相斥作用使线团状大分子变成曲线状，增大溶液黏度，PAM 掺量过高会显著影响混凝土的流动性和经时损失。PAC 是一种无机高分子絮凝剂，自身带有高电荷，因而具有较强的吸附能力，絮凝效果较好[15-17]。不少学者将 PAC运用在混凝土行业，研究 PAC 对混凝土性能的影响。陈伟等[16]研究结果表明，在水泥净浆中添加 PAC能够提升超硫水泥早期强度。

                         由于絮凝剂应用于机制砂制造上时间相对较短，机制砂中残留絮凝剂对混凝土各项性能的影响不清晰。本文通过系统试验，开展絮凝剂种类及掺量对硅酸盐水泥净浆及砂浆性能影响的研究，目的是探明絮凝剂对混凝土性能产生不利影响的作用机理，为推广机制砂在混凝土工程中的应用提供解决思路和理论支撑。

                         1 实验

                          1.1 原材料

                        水泥：P·O 42.5 水泥，化学成分见表 1；絮凝剂：河南众邦环保科技有限公司生产的 1800 万阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）、1800 万非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）和聚合氯化铝（PAC）；细骨料：标准砂；水：当地自来水。

                         1.2 试件制作

                        试验前，用高精度电子秤称量占水泥质量 0.015%、0.030%和 0.050%的固体絮凝剂，加入到水中搅拌溶解，直至肉眼看不见絮凝剂颗粒，得到絮凝剂溶液。本试验砂胶质量比为 3，水胶质量比为 0.5。按试验设计称量好相应胶凝材料后与标准砂一起干拌均匀，将配制好的絮凝剂溶液倒入搅拌锅慢拌 2 min 后，停 15 s 再快拌 1 min。然后将拌制好的水泥砂浆装入 40 mm×40 mm×160 mm 的试模中，每组 3 个试样。试样标准养护 24 h 后脱模，移入温度(20±2) ℃、相对湿度大于 95%的标准养护室中养护至相应龄期，取出后加载测试。同时配制水胶比为 0.5 的水泥净浆，装入 50 mm×50 mm×50 mm 的试模中，在温度(20±2) ℃、相对湿度大于 95%的标准养护室中养护至规定龄期后，进行测试。

                        1.3 试验方法

                         参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077-2012），分别测试不同种类和浓度的絮凝剂对水泥净浆流动度的影响。参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020），分别测定不同浓度絮凝剂对水泥净浆初凝、终凝时间的影响。抗压强度、抗折强度参考《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》（GB/T 17671-1999）进行试验。养护至规定龄期后，将样品破碎，取内部碎块用玛瑙研钵研磨成粉末并过筛后放入密封容器中，加入无水乙醇中止水化后，放入（40±1） ℃烘箱中烘 24 h。使用 Bruker 公司生产的 X 射线衍射仪进行物相鉴定，扫描范围 2θ 为 5°~70°，扫描速度为 5 （°）/min。同时将养护至龄期的样品破碎取内部较平整碎块，把碎块放入密封容器中加入无水乙醇中止水化后，把碎块放入（40±1） ℃烘箱中烘 24 h。对烘干后的样品进行处理后，放入扫描电子显微镜进行微观形貌观察。

                        2 结果与讨论

                        2.1 絮凝剂对流动度的影响

                          图 1 显示了絮凝剂种类和浓度对水泥净浆初始流动度（T0）及 1 h 流动度（T1h）的影响。从图中可知，絮凝剂种类对硅酸盐水泥净浆流动度有不同程度的影响。与不掺入任何絮凝剂的空白组进行对比，掺入 0.015%APAM，砂浆 0 h 流动度减少了 30.8%，且浓度越高，流动度下降幅度越明显。

                          当掺入絮凝剂为 NPAM 时，0 h 流动度随掺量的增加出现先小幅增加后趋于平稳，但整体变化并不明显。与对照组相比，掺入 0.015%后，砂浆 0 h 流动度降低了约 15.8%。而 PAC 掺量几乎不影响硅酸盐水泥净浆初始流动度。从图中还可知，NPAM 和 APAM 降低硅酸盐水泥净浆 1 h 流动度的效果相当，约 30%，而 PAC 只轻微降低净浆 1 h 流动度。综上试验结果可知，APAM 对水泥净浆流动度影响最大，NPAM 次之，PAC 几乎无影响。

分析上述现象，PAM 本身具有极强的保水性，当 PAM 浓度较低时，只需少量的水分来维持其网络结构，因此砂浆中的自由水较多，从而使得砂浆保持较高的流动度。当 PAM 浓度增加时，净浆中被 PAM 锁住的水分增加，水泥净浆中的自由水减少，最后使得净浆流动度降低[8]。聚合氯化铝为无机高分子絮凝剂，具有很强的水吸附特性，但吸水效果不如有机高分子絮凝剂 PAM，因此其对水泥净浆流动度影响最小。

                         2.2 絮凝剂对凝结时间的影响

                         图 2 显示了絮凝剂对硅酸盐水泥净浆凝结时间的影响。从图中可知，纯硅酸盐水泥净浆初、终凝时间分别为 280 min 和 330 min。掺入 APAM 均能缩短硅酸盐水泥净浆的初、终凝时间。掺入 NPAM时，0.015%的掺量会轻微延长硅酸盐水泥的初、终凝时间，掺量超过 0.03%时，则会缩短硅酸盐水泥的初、终凝时间。而掺入任何掺量 PAC 均会延长硅酸盐水泥的初、终凝时间。上述现象说明不同种类的絮凝剂对硅酸盐水泥凝结时间产生不同影响。部分研究认为，絮凝剂具有缓凝作用。

                       朱效甲等认为，聚丙烯酰胺会包裹在水泥颗粒水化层表面，阻碍水泥颗粒与水的反应，同时会阻碍水化产物的迁移，导致水泥基体结构发育缓慢，凝结时间延长。但在 Yao 等[12]的研究中发现，在少量（0.05%~0.15%）掺入 APAM 情况下，絮凝剂具有加快凝结的作用，而只有大掺量（0.25%~1.00%）的情况下，APAM 才显示出缓凝作用。分析其原因，APAM 具有吸水增稠的作用，少量掺入 APAM时，部分水分被 APAM 锁住，砂浆中参与反应的水减少，间接降低了砂浆的水胶比，而水胶比越低，水泥凝结时间越短[20-21]。与 APAM 相比，NPAM 的吸水性较差，其对砂浆的流动度影响较小，因此水泥凝结时间受其影响较小。PAC 吸水性最差，而且 PAC 分子会附着在水泥颗粒表面，阻碍其水化。因此，掺入 PAC 后，水泥凝结时间小幅延长。

                       2.3 絮凝剂对抗折、抗压强度的影响

                      图 3 和图 4 显示了絮凝剂种类和掺量对硅酸盐水泥砂浆抗折、抗压强度的影响。由图 3 可知，絮凝剂整体上能降低砂浆的抗折强度，其中 PAC 降低幅度最明显，28 d 下降幅度为 11.6%~20.2%，NPAM 其次，28 d 下降幅度为 8.4%~18.3%，APAM 降低幅度较小，28 d 下降幅度为 6.7%~14.1%。从图 4 可知，掺入 0.015%、0.030%和 0.050%浓度的 APAM 均会使试件在龄期为 3 d、7 d 和 28 d 时抗压强度降低，下降幅度分别为 0.8%~7.7%，1.0%~3.9%和 6.9%~19.6%。掺入不同掺量 NPAM 时，试件在 3 d、7 d 和 28 d 时的抗压强度均减小，幅度分别为 9.9%~19.3%，1.9%~8.8%和 10.7%~14.2%。掺入 PAC 时，试件在龄期为 3 d、7 d 和 28 d 时抗压强度均有一定程度的降低，幅度为 0.1%~4.8%，1.0%~5.3%和 5.7%~7.8%，下降幅度与其他两种絮凝剂相比较小，且抗压强度变化随 PAC 掺量变化关系也不明显。由此可知，三种絮凝剂整体上会使砂浆抗压强度下降，在掺量为 0.015%和 0.030%时，降低幅度较小，但掺量为 0.050%时，下降幅度较明显。分析其原因，混凝土在搅拌过程中，絮凝剂会产生引气作用，且絮凝剂会使砂浆流动度降低、黏稠度升高，成型后的混凝土含气量增加、孔隙率升高，最终导致混凝土强度下降[8]。此外，PAM水解后形成羧酸根离子并吸附在水泥矿物表面形成保护层，阻碍水分子与水泥颗粒的结合从而抑制水泥的水化，减少了 C-S-H 成核位点，进而导致水泥水化速率减缓[22]。最后，PAM 与水分子形成氢键起到保水作用，进而降低水化矿物溶解后液相离子浓度，延长达到过饱和度所需的时间，进而延缓了水化产物的结晶过程。

                      原标题：絮凝剂对硅酸盐水泥砂浆性能的影响

                      原作者：王传林，张思仪 ，黄俊轩 ，姜涛 ，梁萍，周芷冰 ，王屹鸿