【研究探索】不同水质对水泥净浆及胶砂性能的影响研究

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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第4期

不同水质对水泥净浆及胶砂性能的影响研究

朱王科，张凯峰，罗作球，刘行宇，童小根

［摘要］选用混凝土预拌厂生产中常见的六种水样，首先通过调整外加剂掺量，研究了各自水泥净浆基准流动度、经时损失及力学性能变化规律；再研究了各自水泥胶砂流动度、力学性能变化规律及 90d 水化产物微观形貌差异。结果表明：水泥净浆基准流动度在 (220±10)mm 范围内，外加剂掺量在 1.1%～1.7% 之间，除废浆水的净浆损失较快，其他水样的净浆经时损失曲线均符合二次函数规律。水泥净浆 28d 抗压强度在 67.3～81.8MPa，90d 抗压强度在 78.8～85.0MPa，除去离子水的净浆后期抗压强度倒缩明显，其他水样净浆抗压强度均有不同程度的增长。水泥胶砂流动度在 (210±10)mm 范围之内，28d 胶砂抗压强度在 55.3～58.9MPa，90d 胶砂抗压强度在 56.5～ 65.5MPa，废浆水早期强度较其他水样增长缓慢，冲刷水后期强度最高。从试验结果来看，六种水样成型的净浆和胶砂均满足国标要求；实际生产中应关注废浆水波动，根据其浓度变化及时调整外加剂中缓凝成分占比。

［关键词］拌合水；水泥净浆；胶砂；流动度；力学性能

引言

水作为混凝土的主要组成材料之一，同时也是其生产过程中不可缺少的组分^[1]。适当用水量是实现混凝土预期性能及完成水化反应的必需条件。水胶比是影响混凝土整体性能的最主要因素，在原材料、外部环境条件相同的前提下，用水量对混凝土性能起着至关重要的作用^[2-3]。臧文洁^[4]Serag I M^[5]学者的研究表明，在水泥强度等级相同、水化所需结合水充足的情况下，水胶比越小，混凝土结构越致密，强度也就越高。

随着城市现代化发展，污水治理、中水系统的形成以及规模日益扩大。将中水作为混凝土拌合用水，对于节约水资源、提高水的利用率有着重要意义^[6]。这体现了建筑行业践行国家双碳目标战略及绿色生态文明理念的内在要求。混凝土拌合用的中水特指符合GB/T 189202020《城市污水再生利用、城市杂用水水质》要求的中水。同时，GB 503362018《建筑中水设计标准》已将中水纳入到厂站拌合用水的范围。此外，拌合水还应符合JGJ 632006《混凝土用水标准》的指标要求。标准规定，拌合水所含物质不应对混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土产生有害影响。通过查阅相关文献^[7-9]，目前还未发现将不同类型的拌合水作为重点来研究。

鉴于此，本论文研究了西安地区混凝土预拌厂日常生产过程中所涉及到六种水样（去离子水、地下水、自来水、废浆水、冲刷水及雨水），通过开展一系列水泥净浆及胶砂试验，研究了水泥净浆胶砂工作性能及力学性能的时变规律，表征了90d水泥胶砂水化产物形貌。研究结果为预拌厂实际生产提供了理论指导及技术借鉴。

原材料与试验方法

1.1原材料

）水泥：选取陕西铜川声威特种水泥有限公司生产的O42.5水泥，主要性能指标见表

）标准砂：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂。

）外加剂：选用中建西部建设新材料科技有限公司生产的聚羧酸减水剂，主要性能指标见表

）拌合水：选用预拌厂日常生产涉及到的六种水，其中：基准水，选用实验室常用到的去离子水；②地下水，选用预拌厂目前生产使用的地下井水；自来水，选用从市政管网接入厂站的生活用水；④废浆水，选用生产过程中清洗罐车、泵车及搅拌机等设备所产生的废水；⑤冲刷水，选用目前生产过程中，清洗罐车、泵车与砂、石运输车轮胎及站内场地时所产生的冲刷水；⑥雨水，主要是指季节性雨水期、特大暴雨等特殊情况下收集汇入厂站蓄水池中的水。

1.2试验方法

）净浆试验

依据GB/T 80772012《混凝土外加剂匀质性试验方法》规范标准检测净浆流动度，不同水质对净浆流动度及经时损失的影响。

）胶砂试验

胶砂搅拌过程参照GB/T 176711999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行；参照GB/T 24192005《水泥胶砂流动度测定方法》检测胶砂流动度；然后制作40mm40mm160mm的标准试件，在标养条件下养护达到相应龄期，按GB/T 17611999《水泥胶砂强度检测方法》检测胶砂试件的抗压强度。

试验结果与讨论

.1净浆工作性能

按照GB/T 80772012《混凝土外加剂匀质性试验方法》的检测要求，研究六种不同水质（去离子水、地下水、自来水、废浆水、冲刷水及雨水）在水泥净浆流动度在(2205)mm范围内，对外加剂掺量的影响。具体实施方案及测试结果如表和图1所示。

结合表3和图可看出，虽然六种水样成型的水泥净浆基准流动度控制在(2205)mm范围内，对应的外加剂掺量差异较大。其中，废浆水的掺量最高，为1.7%；其次是地下水，为1.4%；自来水和雨水的掺量一样，均为1.2%；冲刷水的最低，为1.1%。由此可见，根据目前的试验结果无法对六种水质成型的水泥净浆进行流动度与基准掺量的精确对比，所以需要确定一个固定掺量来进一步分析研究。

根据上述试验结果，进一步研究六种不同水质对固定外加剂掺量（1.2%）水泥的净浆流动度、经时损失情况，工作性能及力学性能产生的影响规律。具体实施方案及净浆流动度变化如表和图2所示。

由表可知，在外加剂掺量固定在1.2%的条件下，从出机开始计时，六种水质拌制的水泥净浆流动度峰值出现的时间各有不同。废浆水拌制的水泥净浆峰值出现最早，为1h；去离子水、地下水和冲刷水均为2h；自来水和雨水最晚，为3h。而且六种水样的水泥净浆流动度及经时损失差异很大，0h时在157230mm之间，6h时在63207mm之间。其中，自来水拌制的水泥净浆出机流动度最大，为230mm；废浆水的最小，为157mm，而且在4h时就失去流动性。此外，去离子水拌制的水泥净浆在6h时仍具有较好的流动性，原因是去离子水中几乎不含有与外加剂分子链反应的杂质离子，这能够使其与水泥颗粒的相互作用更为持久，宏观上体现为水泥净浆流动度损失较小。

在外加剂掺量固定在1.2%的条件下，对六种水样的水泥净浆流动度及经时损失曲线进行拟合，见图3。由图3可知，废浆水的净浆曲线比较符合指数函数的变化规律，曲线方程为：

= 248.39e^-0.221x），0.7714

其他五种水样净浆曲线更符合二次函数变化规律，以地下水为例，方程为

= -8.4405x+56.917x+168.71），0.9417

原因是试验开始之前，废浆水中已含有预先发生过水化反应的水泥颗粒，其水化产物与新的水泥颗粒表面相比较为疏松多孔，这种孔隙结构更易吸附加入到净浆中的外加剂分子链，使得外加剂的减水效果较其他水样较差，导致废浆水拌制的水泥净浆在宏观上流动度损失过快。因此，在相同试验条件与固定掺量（1.2%）情况下，不同水质拌制的水泥净浆流动度及经时损失影响有着明显差异。

此外，在实验室操作时还注意到，每次做完流动度测试后，用小铲将净浆从玻璃板拨进搅拌锅时，小铲、水泥净浆与玻璃板表面之间的阻力存在较大差异。如果地下水和自来水的力度正常（假定为），那么去离子水和废浆水的阻力偏大（1.1f），随着净浆留置时间的延长甚至出现过粘、抓底现象；冲刷水和雨水的阻力偏小（0.9f），铲的时候比较丝滑顺畅。所以，将废浆水单独作为预拌混凝土生产的拌合水时，其水泥净浆的损失更为异常，过程中应重点关注其浓度波动对混凝土状态变化造成影响，随时调整混凝土配合比中外加剂掺量范围及其中的缓凝组分含量。至于六种水样对水泥净浆的力学性能变化是否有影响，还需进一步研究。

.2净浆力学性能

为研究六种水样成型的水泥净浆在不同龄期的抗压强度（3d7d14d28d60d90d）发展产生的影响规律，将做完净浆流动度试验的水泥净浆装入到40mm40mm40mm试模里，并一起放进标养箱（温度(201)℃，湿度90%RH）进行养护，24h后拆模标记，然后移入标养室（温度(202)℃，湿度95% RH）继续养护，到测试龄期时取出进行抗压测试试验，六种水样水泥净浆抗压强度如表和图所示。

由图可知，3d时，地下水和雨水拌制的净浆抗压强度相对较高，分别为62.862.6MPa；废浆水的强度最低，为48.0MPa，净浆活性指数为去离子水的80.27%。废浆水拌制的净浆3d强度不符合拌合用水的要求（90%）。但是28d时，废浆水拌制的净浆强度最高，为81.8MPa，净浆活性指数为去离子水的104.34%，原因是由于废浆水中的C-S-H胶凝在后期水化反应中起到了晶核效应，稳定了浆体内部颗粒结构，提高净浆的密实度和强度；冲刷水的强度相对较低，为67.3MPa，活性指数为去离子水的85.84%；冲刷水拌制的净浆28d强度不符合拌合用水的要求（90%）。90d，去离子水和废浆水拌制的净浆出现不同程度倒缩，其他水样所拌制的净浆均有所增长。

.3胶砂力学性能

为按照GB/T 176712021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》的检测要求，研究六种不同水质对水泥胶砂流动度及抗压强度（3d7d14d28d60d90d）发展产生的影响规律。具体实施方案及测试结果如表和图5所示。

由图可知，六种水样对水泥胶砂流动度的影响差异相对较小，基本在(21010)mm范围内。其中，冲刷水的胶砂流动度最大，为220mm；去离子水和雨水的相对较大，均为215mm；地下水和自来水的相对较小，均为210mm；冲刷水的最小，为205mm

将测完胶砂流动度后的水泥胶砂装入到40mm40mm160mm试模里，并一起放进标养箱，24h后取出标记拆模，然后移入标养室中进行养护，到相应测试龄期时取出并进行抗折、抗压强度测试，测试结果见表7和图6、7。

由图与图可知，3d时，地下水的抗折强度最高，为6.7MPa；废浆水的最低，为5.8MPa，抗折活性指数为去离子水的87.88%，废浆水成型的胶砂3d抗折强度不符合拌合用水的要求（90%）。28d时，去离子水的抗折强度最高，为8.9MPa；废浆水的最低，为8.1MPa，抗折活性指数为去离子水的91.01%，废浆水成型的胶砂28d抗折强度符合拌合用水的要求。

.4胶砂微观表征

为进一步探明六种不同水质对水泥胶砂强度发展产生的微观机理，对90d胶砂破型后的水化产物进行表征，通过分析水化产物微观形貌找到六种水样之间的差异，六种水样成型的水泥胶砂90d SEM照片如图所示。

从图中可看出，90d时，去离子水成型的水泥胶砂中几乎看不到新生成的水化产物，表面分布有较多裂缝状或不规则形的孔隙，这些缺陷降低了胶砂密实度，宏观上表现为力学性明显降低，与净浆抗压强度出现的倒缩现象一致；地下水的表面较为疏松，此时水化产物以氢氧化钙（CH）为主，CH晶体在水泥石和集料界面处富集并结晶成粗大晶粒，这种结构稳定性较差，导致其强度较60d有所降低^[5]；自来水的表面缺陷相对与地下水有所减少，水化产物以CH为主，二次水化生成的C-S-H凝胶附着在前期水化产物表面，填充了部分空隙，内部密实度有所提高，所以其抗压强度高于地下水。废浆水的表面缺陷较少，水化产物中仍能看到部分C-S-H凝胶和少量钙矾石（AFt），且组织较为致密，力学性能优良；废浆水的表面缺陷较少，水化产物中仍能看到部分C-S-H凝胶和少量钙矾石（AFt），且组织较为致密，力学性能优良；冲刷水的水化产物丰富多样，仍能清晰看到前期生成的C-S-H凝胶、析出的CH晶体及AFt转变的AFm三者交叉攀附，使原先分散的水泥颗粒及其水化产物连结起来，构成一个三维空间牢固结合密实的整体，有效填充了前期水化反应残留空隙，内部组织更为致密，宏观上表现为力学强度较高^[7]；雨水中的水化产物主要为三元硅酸钙凝胶和CH晶体，这些水化产物能够填充部分空隙，提高了胶砂的抗压强度。

结论

）六种水泥净浆基准流动度在(22010)mm范围内，外加剂掺量在1.1%1.7%之间，除废浆水净浆损失较快，其他水样的净浆经时损失曲线均符合二次函数规律。

）六种水泥净浆28d抗压强度在67.381.8MPa范围，90d抗压强度在78.885.0MPa之间，除去离子水的净浆后期抗压强度倒缩明显，其他水样净浆抗压强度均有不同程度的增长。

）六种水泥胶砂流动度在(21010)mm范围之内，28d胶砂抗压强度在55.358.9MPa范围，90d胶砂抗压强度在56.565.5MPa范围，废浆水的早期强度较其他水样增长缓慢，冲刷水的后期强度最高。

）从试验结果来看，六种水样所拌制的净浆及胶砂均满足国标要求，实际生产中应关注废浆水的波动，根据其浓度变化及时调整外加剂中缓凝成分的占比。

参考文献

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供稿人：朱王科，张凯峰，罗作球等

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

【标准规范】

《建筑固废再生砂粉应用技术规范》行标

《建筑物绿色拆除与建筑垃圾综合利用技术规程》CECS

《预拌混凝土使用说明书》团标

《砂浆和混凝土用石屑》团标

《预拌混凝土产品质量追溯规范》团标

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