随着高铁、核电、港口、高层建筑等大型基建项目的发展，对混凝土的性能要求也越来越高。砂作为细骨料，是高性能混凝土中用量较大的原材料，砂的细度模式、含泥量、饱和面干吸水率等对拌合混凝土的工作性能和质量均有很大的影响[1-3]。砂子细度模数大，拌合的混凝土易泌水、离析；砂子细度模数小，混凝土拌合时用水量大，坍落度保持能力差[4]；砂子含泥量大，泥组分吸附混凝土外加剂，使混凝土的坍落度损失加快，且含泥量大，会使混凝土的强度下降，影响混凝土的耐久性[5]；砂子的饱和面干吸水率大，会吸附部分拌合混凝土中的自由水，同样使拌合混凝土的工作性能下降，且不同产地砂的细度模数、含泥量、饱和面干吸水率及泥的组分各不相同，本文以郑徐客专工程中使用的骆马湖砂为研究对象，分析其对拌合混凝土性能的影响及应对措施。
1原材料与性能
1.1水泥
采用江苏地区某水泥厂生产的P·O42.5级水泥，其物理力学性能见表1。
1.2粉煤灰
采用山东地区某电厂Ⅱ级灰，其性能见表2。
1.3粗骨料
选用的碎石物理性能见表3。
1.4外加剂
聚羧酸减水剂ART-M11来自江苏某新材料股份有限公司，其性能指标见表4。
1.5功能助剂
聚丙烯酸钠（PAA）来自江苏某新材料股份有限公司，分子量5000，多分散系数为1.57。
腐殖酸钠：产自成都某化工有限公司。
2混凝土试验及分析
2.1混凝土试验
混凝土配合比计算及试验是参照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，试验中除砂不同外，其他材料均一样。试验用配合比见表5。
根据表5中的混凝土配比，分别采用骆马湖砂和南京河砂进行混凝土拌合试验，测试0h、0.5h、1h时的坍落度和扩展度，具体数值见表6。
从表6可以看出，外加剂掺量为胶凝材料的1.2%时，混凝土初始坍落度185mm，0.5h时混凝土坍落度为160mm，1h后坍落度仅为115mm，提高外加剂掺量至胶凝材料的1.8%，混凝土初始坍落度220mm，0.5h时混凝土坍落度为195mm，1h坍落度为185mm。通过混凝土试验对比发现，采用骆马湖砂拌合的混凝土坍落度损失较快，在0.5h丧失流动性，而采用南京河砂，拌合的混凝土在1h时仍有190mm的坍落度和495mm的扩展度。
2.2结果分析
一般混凝土坍落度损失的原因主要有：①水泥细度及组分与外加剂适应性；②混凝土拌合物的原材料及配合比的影响；③环境温湿度影响。从本文混凝土性能对比试验可以判断主要是骆马湖砂的原因。砂子对混凝土坍落度造成影响主要有：砂子中的含泥量、泥块含量高或者细砂较多，或泥的成分特别吸附了大量的减水剂。减水剂在水泥浆中主要有三种存在状态，一种吸附于水泥颗粒表面，起分散减水的作用；一种被水泥的水化层覆盖；一种存在于水泥浆的溶液中。当存在于溶液中的减水剂部分被砂子吸附掉时，致使水泥浆中提供持续吸附的外加剂变少，从而使混凝土坍落度及流动度损失变快；一是砂子本身吸水率大，吸附了较多的自由水，使拌合混凝土中的自由水变少，导致混凝土坍落度损失变快。基于此，本文就骆马湖砂和南京河砂分别对含泥量、泥块含量、细度模数和颗粒级配、砂饱和面干吸水率进行了测试分析。
（1）含泥量分析。黏土的表面积大，对外加剂能产生大量的吸附，在建设用砂中规定粒径小于75μm的颗粒均为泥，泥块在混凝土拌合过程中也会分散成颗粒较小的泥，因此，依据GB/T14684-2011《建设用砂》中含泥量和泥块含量测试方法，分别对骆马湖砂和南京河砂的含泥量和泥块含量进行了测试，测得骆马湖砂的含泥量为2.9%，泥块含量0.23%；南京河砂的含泥量为2.8%，泥块含量0.26%。骆马湖砂和南京河砂均为Ⅱ级类别，且含泥量和泥块含量较为接近。
（2）细度模数和颗粒级配分析。细度模数为表示砂粗细程度的指标，细度模数大，砂子较粗，粒径大，比表面积小，对外加剂的吸附较少；细度模数小，砂子较细，粒径小，比表面积大，对外加剂的吸附相对较多。颗粒级配是指各种粒径颗粒在骨料中
所占的比例，该比例采用规定孔径的一组筛子的筛余量来表示，同样依据GB/T14684-2011，测试了骆马湖砂和南京河砂的细度模数，如表7所示。
通过累计筛余，计算出骆马湖砂的细度模数为2.5，南京河砂的细度模数为2.7，从砂子的颗粒级配和细度模数角度分析，骆马湖砂和南京河砂相比略微偏细。
（3）饱和面干吸水率分析。当砂子具有一定的吸水率时，会逐步吸收新拌混凝土中的水分，致使混凝土坍落度及流动度损失加剧，基于此，进一步测试了砂子的饱和面干吸水率，依据GB/T14684-2011中饱和面干吸水率的测试方法，分别测得骆马湖砂和南京河砂的饱和面干吸水率为0.6%和0.7%，从测试结果可以看出骆马湖砂吸水率不高，并非造成预拌混凝土坍落度损失过快的原因。
（4）砂子中泥量对外加剂的吸附。从砂子吸水率的角度看，骆马湖砂吸水率为0.6%，属于正常范围，该砂子又使预拌混凝土的坍落度损失很快，由此判断，该砂子吸附了较多的外加剂，致使溶液中提供持续吸附的外加剂变少，从而表现为混凝土坍落度损失，流动度变小。通过含泥量和泥块含量的测试及细度模数测试，可以看出骆马湖砂和南京河砂均较为接近，推测砂子中含泥的组分不同，造成了吸附上的差异，为此，分别采用75μm的筛子筛取砂子中的泥500g，混合混匀待用，进行净浆流动度试验和胶砂试验。
净浆流动度试验：分别取上述2种砂中的泥组分，外掺到水泥净浆试验中，观察记录不同含泥量情况下的净浆流动性能。具体试验方案为：基准水泥300g，W/C=0.29，砂中的泥掺量为水泥质量的3%，减水剂ART-M11的掺量为1.0%，分别测量水泥浆体初始（0min）、30min、60min、90min和120min的流动度。试验结果见图1。
从图1可以看出，外掺水泥质量3%的南京河砂，净浆初始流动度为284mm，2h后流动度为181mm；掺骆马湖砂时，净浆初始流动度为272mm，2h后流动度为96mm，从净浆流动度测试结果可以看出，掺骆马湖砂时净浆流动度损失较快，骆马湖砂相对南京河砂吸附了更多的外加剂。
砂浆流动度试验：采用基准水泥，砂子采用添加了50g筛取过泥的标准砂，水泥用量为465g，水用量为155g，减水剂掺量为水泥用量的1.7%，参考GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，测试结果见表8。
从表8可以看出，掺加骆马湖砂中的泥，胶砂初始流动度为180mm，1h后流动度为156mm，2h后流动度为114mm；掺加南京河砂中的泥，胶砂初始流动度为185mm，1h后流动度为175mm，2h后流动度为162mm，由本组对比试验可以得出掺加同样当量的泥含量，骆马湖砂中泥对外加剂的吸附更大。
通过净浆流动度试验和胶砂试验结果可以判断，骆马湖砂使预拌混凝土损失过快的主要原因为砂中泥的组分不同，同时该砂的细度模数比南京河砂的细度模数偏小，这两种因素共同作用导致了混凝土损失过快。
3应对措施
由于骆马湖砂中泥对外加剂的吸附较大，从表6可以看出，提高掺量至胶凝材料1.8%，混凝土初始状态会泌水、离析，1h后混凝土坍落度为185mm，仍然损失较快，采用提高掺量的方法不能很好地解决混凝土坍落度保持的问题，本文的解决思路为掺加低分子量功能助剂，由于功能单体可以和泥有很好的吸附作用，且功能助剂相对聚羧酸减水剂分子量较小，在溶液中分子扩散速率较快，因而功能助剂更易被砂中所含泥吸附，避免了一部分聚羧酸减水剂被吸附，从而改善混凝土的坍落度损失。低分子量聚丙烯酸钠[6-8]、季铵盐类低聚物、腐植酸钠[9-10]这些功能助剂都可以和黏土有很好的吸附作用，本文分别试验了不同功能助剂和减水剂复配下拌合混凝土的性能。
3.1掺不同比例聚丙烯酸钠对混凝土工作性能的影响
基于前期的研究，本文选用分子量为5000的聚丙烯酸钠（PAA）作为抗泥功能助剂，对不同掺量下的混凝土性能进行了试验，测试结果见表9。
由表9可见，当减水剂掺量为胶材用量的1.2%，PAA掺量为胶材用量的0.2%时，混凝土初始坍落度190mm，扩展度470mm，1h后坍落度为135mm，和表6中外加剂同样掺量，但不掺聚丙烯酸钠的混凝土结果相比，初始坍落度和扩展度几乎一样，说明该聚丙烯酸钠在减水能力的贡献上几乎可以忽略，1h后的混凝土坍落度保持能力增强，说明聚丙烯酸钠和砂中的泥发生作用，阻止了部分减水剂分子被泥所吸附，从而使后期的坍落度保持能力增强。增大PAA掺量至胶凝材料的0.4%时，混凝土初始坍落度195mm，1h后坍落度为175mm，说明逐步提高聚丙烯酸钠的掺量，对混凝土的初始状态影响不大，但混凝土的坍落度保持能力逐步增强。提高减水剂的掺量，同时试验了不同聚丙烯酸钠掺量下的混凝土坍落度保持能力，当减水剂的掺量为胶材用量的1.4%、PAA掺量为胶材用量的0.4%时，混凝土的初始坍落度为220mm，扩展度为520mm，1h后混凝土的坍落度为205mm，扩展度为495mm，坍落度及扩展度损失较小，与PAA掺量为胶材用量的0.3%时差别不大，都能很好地满足了郑徐客专工程的施工需求。
3.2掺不同比例季铵盐类低聚物对混凝土工作性能的影响
对于季铵盐类低聚物，参考鲁红升[11]等人的文献报道合成得到，产品编号为M，采用和上组试验同样的原材料及配合比，分别试验了减水剂掺量为1.4%时，不同季铵盐类聚合物掺量下的预拌混凝土性能，结果见表10。
由表10中混凝土数据可见，减水剂掺量为胶材用量的1.4%时，逐步增加季铵盐类聚合物M的掺量，混凝土坍落度的保持能力逐步增强，当季铵盐类聚合物的掺量为0.4%时，混凝土1h前后的坍落度及扩展度几乎不变，也可以很好地满足施工要求，但是掺量比聚丙烯酸钠高。另外，在本组试验中发现，随着季铵盐类聚合物掺量的增加，拌合混凝土的初始坍落度及扩展度逐步变小，分析原因为季铵盐类聚合物和减水剂在复配时，季铵盐类聚合物结构中的季铵盐类和减水剂结构的阴离子之间能形成正、负电荷间的引力，使两种物质产生缔合，这导致混凝土初始坍落度和扩展度略微变小。
3.3掺不同比例腐植酸钠对混凝土工作性能的影响
腐殖酸钠（NaC）含有较多的羟基、醌基、邻位双酚羟基、羧基等可与黏土吸附的官能团，同时具有很大的内表面积，使其对黏土具有较强的吸附作用，本文同样试验不同腐殖酸钠掺量下拌合混凝土的性能。采用的原材料及配合比和上组试验相同，试验结果见表11。
通过表11可以看出，随着腐殖酸钠掺量的增加，拌合混凝土坍落度的保持能力逐渐下降，分析产生这种结果的原因可能是由于腐殖酸钠本身具有较大的内表面积，对减水剂产生了一定的吸附，致使混凝土坍落度损失变快。
3.4掺不同功能助剂对混凝土强度的影响
进一步测试了减水剂掺量为胶材用量的1.4%，聚丙烯酸钠、季铵盐类低聚物M和腐殖酸钠（NaC）掺量为0.3%时的混凝土抗压强度及含气量，测试结果见表12。
通过本组混凝土试验可以看出，掺加聚丙烯酸钠的混凝土3d抗压强度为18.5MPa，28d抗压强度为44.1MPa，掺加季铵盐类低聚物M的混凝土3d抗压强度为19.2MPa，28d抗压强度为45.7MPa，掺加腐殖酸钠的混凝土3d抗压强度为18.9MPa，28d抗压强度为44.6MPa，均满足混凝土设计要求，就这两种功能助剂对比分析，掺加季铵盐类低聚物的混凝土平均抗压强度要比掺加聚丙烯酸钠和腐殖酸钠的高1～2MPa，含气量也比掺加聚丙烯酸钠的高0.3%，说明季铵盐类低聚物效果更佳。
4结论
（1）测试了骆马湖砂和南京河砂在同样外加剂掺量下的混凝土坍落度保持性能，采用南京河砂，混凝土坍落度保持能力强，1h损失10mm；采用骆马湖砂，混凝土坍落度1h损失70mm。
（2）对比分析了骆马湖砂和南京河砂的含泥量、泥块含量，细度模数，饱和面干吸水率及砂中的泥对净浆和砂浆的影响。
（3）试验了复配聚丙烯酸钠、季铵盐类聚合物M和腐殖酸钠的混凝土坍落度保持能力，在减水剂掺量为胶材用量的1.4%、聚丙烯酸钠掺量为0.3%或季铵盐类聚合物M的掺量为0.4%时，混凝土坍落度具有较好的保持能力，1h几乎不损失，掺加腐殖酸钠后，混凝土坍落度损失变快。
（4）测试了掺加聚丙烯酸钠和季铵盐类聚合物M后的混凝土抗压强度及含气量，掺加聚丙烯酸钠的混凝土28d抗压强度达到44.1MPa，含气量为2.7%；掺加季铵盐类聚合物M的混凝土28d抗压强度达到45.7MPa，含气量为2.9%。
