粉煤灰對水泥砂漿流變性能的影響研究

曹 睿

(河北省高速公路京衡管理處，河北 衡水 053000)

0 前言

水泥砂漿是一種同時具有粘、彈、塑性性質(zhì)的復(fù)合材料，隨著水泥水化的進行，水泥砂漿逐漸由粘塑性階段向粘彈性階段轉(zhuǎn)變［1，2］。硬化后水泥砂漿的力學(xué)性能和耐久性主要取決于砂漿結(jié)構(gòu)的變化，而砂漿結(jié)構(gòu)的變化又與水泥砂漿在新拌階段的屈服應(yīng)力、塑性粘度和觸變性密切相關(guān)［3，4］。粉煤灰可以顯著改善混凝土拌合物的工作性、耐久性，并減緩混凝土中水泥水化產(chǎn)生的水化熱，除此之外將粉煤灰應(yīng)用于建筑材料，能顯著減少粉煤灰存放造成的土地浪費，不僅實現(xiàn)廢物利用、變廢為寶，而且能夠節(jié)約資源、保護環(huán)境［5～7］。粉煤灰水泥砂漿流變性的改善究竟如何，國內(nèi)研究相對較少，本文通過試驗，研究粉煤灰種類和摻量對水泥砂漿流變性能的影響，為進一步研究混凝土拌合物流變性能提供理論參考。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

水泥選用湖北武當(dāng)水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5 水泥，主要化學(xué)成分見表1;粉煤灰選用湖北某電廠的Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示，砂采用天然河砂，具有良好的物理力學(xué)性能，減水劑選用聚羧酸系減水劑，減水率能滿足要求;水為自來水。

表1 水泥的材料組成 %

表2 粉煤灰的技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗方法

利用Brookfield 粘度計測定水泥砂漿的塑性粘度和屈服應(yīng)力，分別以屈服應(yīng)力和塑性粘度表征砂漿的砂漿的流動性和粘聚性，測定初始粘度和3 min后的粘度，并計算粘度變化率，以粘度變化率表征水泥砂漿的觸變性。試驗時固定砂灰比S/C =1.2，固定水灰比W/C=0.35，粉煤灰摻量以粉煤灰替代水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)記。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 粉煤灰對水泥砂漿流變性參數(shù)的影響

測定不同粉煤灰種類(Ⅰ和Ⅱ級)和摻量(0%、10%、15%、20%、25%和30%)時，水泥砂漿初始和90 min 后的屈服應(yīng)力、塑性粘度，并計算屈服應(yīng)力變化率和塑性粘度變化率，研究粉煤灰種類和摻量對水泥砂漿流變性參數(shù)的影響，試驗結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 粉煤灰對水泥砂漿屈服應(yīng)力和屈服應(yīng)力變化率的影響

圖2 粉煤灰對水泥砂漿塑性粘度和塑性粘度變化率的影響

從圖1和圖2可以看出，隨著粉煤灰摻量的增多，水泥砂漿的屈服應(yīng)力逐漸減小，塑性粘度逐漸增大，表明粉煤灰的加入能改善水泥砂漿的流動性能，增大了水泥砂漿的粘聚性，且粉煤灰摻量越多，對流動性的改善效果越好。相同粉煤灰摻量時，摻Ⅰ級粉煤灰時水泥砂漿的屈服應(yīng)力比摻Ⅱ級粉煤灰時較小，而塑性粘度比摻Ⅱ級粉煤灰時大，例如當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，摻加Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰的砂漿試件90 min 的屈服應(yīng)力分別為94.5 Pa 和101.3 Pa，表明摻入細(xì)度更小的Ⅰ級粉煤灰對水泥砂漿的流變性改善效果更好。摻入粉煤灰后水泥砂漿的屈服應(yīng)力和塑性粘度都隨粉煤灰摻量的增多出現(xiàn)先急劇變化后趨于穩(wěn)定的規(guī)律，其中粉煤灰細(xì)度不同，屈服應(yīng)力和塑性粘度出現(xiàn)穩(wěn)定對應(yīng)的粉煤灰摻量不同。摻Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰后，砂漿屈服應(yīng)力趨于穩(wěn)定時對應(yīng)的粉煤灰摻量分別為15%和25%，而塑粘性度出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)的粉煤灰摻量都為15%，表明粉煤灰越細(xì)，所需要摻加的粉煤灰摻量越小。粉煤灰顆粒表面光滑且大多為球狀，在砂粒之間起著滾珠作用和潤滑作用，使砂粒之間的摩擦力減小，因此屈服應(yīng)力降低。同時粉煤灰是一種多孔材料，在水泥砂漿拌合物中會吸收一部分水，且摻量越多吸水量越大，使砂漿中的自由水含量降低，塑性粘度增大;Ⅰ級粉煤灰的比表面積大于Ⅱ級粉煤灰，相同摻量時Ⅰ級粉煤灰的吸水量更大，因此塑性粘度較大。

相同條件下，水泥砂漿90 min 的屈服應(yīng)力明顯大于初始屈服應(yīng)力，而90 min 的塑性粘度明顯小于初始的塑性粘度。且屈服應(yīng)力變化率和塑性粘度變化率都隨粉煤灰摻量的增大大幅減低，摻細(xì)度更小的Ⅰ級粉煤灰時屈服應(yīng)力變化率和塑性粘度變化率的下降趨勢比摻加Ⅱ級粉煤灰粉煤灰時更加明顯，例如當(dāng)粉煤灰摻量為15%時，摻Ⅰ級粉煤灰的水泥砂漿屈服應(yīng)力變化率和塑性粘度變化率分別為19.8%和23.2%，而摻Ⅱ級粉煤灰的水泥砂漿屈服應(yīng)力變化率和塑性粘度變化率分別為23.1% 和24.1%。表明粉煤灰能顯著降低水泥砂漿流動性能的經(jīng)時變化，解釋其原因為，一方面，粉煤灰延緩了水泥砂漿中水泥的初期水化作用，使水泥砂漿中因水泥水化而造成的自由水損失減少;另一方面，粉煤灰具有較大的比表面積，能吸附一部分自由水，而隨著水泥水化的進行，吸附的水分逐漸釋放出來，對水泥砂漿中的含水量得到一定的補充;因此使水泥砂漿流動性能的經(jīng)時變化程度降低。

2.2 粉煤灰對水泥砂漿觸變性的影響

測定不同粉煤灰種類和摻量時，水泥砂漿初始和3 min 后塑性粘度，并計算塑性粘度變化率用以表征水泥砂漿的觸變性，研究粉煤灰種類和摻量對水泥砂漿觸變性的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 粉煤灰對水泥砂漿觸變性的影響

從圖3可以看出，隨粉煤灰摻量的增多，水泥砂漿初始粘度和3 min 時的粘度都逐漸增大，且相同摻量時，摻加Ⅰ級粉煤灰時，水泥砂漿的粘度更大。對于兩種粉煤灰，當(dāng)粉煤灰摻量小于10%時，隨著粉煤灰摻量的增大，粘度變化率基本不變，水泥砂漿的觸變性保持穩(wěn)定;而當(dāng)粉煤灰摻量大于10%時，摻加Ⅰ級粉煤灰的砂漿粘度變化率隨粉煤灰摻量增大逐漸減小，砂漿觸變性逐步減弱，而摻加Ⅱ級粉煤灰的砂漿粘度變化率隨粉煤灰摻量增大急劇增大，砂漿觸變性逐步增強。

這主要是因為，Ⅱ級粉煤灰的外觀形狀接近球形，在剪切力作用下，粉煤灰顆粒之間，粉煤灰顆粒與砂粒之間相互容易滑動，使顆粒之間的粘結(jié)程度降低，結(jié)構(gòu)容易拆散，因此添加Ⅱ級粉煤灰增大了水泥砂漿的流動觸變性，且摻量越大觸變性增大程度越大。相比于Ⅱ級粉煤灰，Ⅰ級粉煤灰有更大的比表面積，能夠為水泥砂漿中網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)提供更多的接觸點，使水泥砂漿漿體中的絮凝結(jié)構(gòu)更加緊密而不容易拆散，因此Ⅰ級粉煤灰的加入降低了水泥砂漿流動性能的觸變性，且摻量越多，觸變性降低比例越大。

3 結(jié)論

本文通過研究了粉煤灰種類和摻量對水泥砂漿流變性能的影響，結(jié)果表明:粉煤灰摻量越大，水泥砂漿的屈服應(yīng)力越小，流動性越好，而塑性粘度隨粉煤灰摻量的增大逐漸增大，水泥砂漿粘聚性逐漸增強;Ⅰ級粉煤灰對水泥砂漿流動性和粘聚性的改善效果好于Ⅱ級粉煤灰，且當(dāng)Ⅰ級粉煤灰和Ⅱ級粉煤灰摻量分別大于15%和25%時，對流動性和粘聚性的改善程度不再明顯;當(dāng)粉煤灰摻量小于10%時，粘度變化率基本不變，水泥砂漿的觸變性保持穩(wěn)定，而當(dāng)粉煤灰摻量大于10%時，增加Ⅰ級粉煤灰摻量會使砂漿觸變性逐步減弱，而增加Ⅱ級粉煤灰摻量會使觸變性增強。

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