礦物摻合料對水泥膠漿流變性能的影響★

呂利華 閆 旭

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

礦物摻合料對水泥膠漿流變性能的影響★

呂利華 閆 旭

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

對水泥膠漿流變性進(jìn)行了研究，通過改變礦物摻合料的品種及拌入量，對粘度進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了膠漿粘度的變化情況，結(jié)果表明：礦物摻合料對水泥膠漿流變性影響顯著，可調(diào)節(jié)膠漿流變性，粉煤灰、礦粉增大膠漿流變性，硅粉則相反。

礦物摻合料，粘度，流變性，旋轉(zhuǎn)粘度計，水泥膠漿

水泥膠漿的流變性指的是在流變學(xué)的基礎(chǔ)上研究水泥膠漿的粘性、塑性、彈性隨時間演變的規(guī)律，是影響混凝土工作性能的一個重要因素。影響水泥膠漿流變性的因素主要有水泥熟料本身的固有屬性(簡稱為內(nèi)部因素)、外界環(huán)境(簡稱為外界因素)。內(nèi)部因素主要包含：水泥熟料及摻合料的細(xì)度、成分組成、品種、摻加量、水化溫度、水化時間、水灰比等；外界因素主要包含：試驗(yàn)儀器、外界溫度、濕度、接觸面積等。本文通過采用旋轉(zhuǎn)粘度計對不同摻合料影響水泥膠漿流變性的研究，得到不同的凈漿旋轉(zhuǎn)粘稠數(shù)據(jù)，基于E.C.Bingham水泥流變模型，分析摻合料對水泥凈漿稠度的影響情況，旨在對試驗(yàn)室的配合比設(shè)計有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 理論基礎(chǔ)

1.2 試驗(yàn)材料和儀器

采用天鵝牌P.O42.5水泥；Ⅱ級F類粉煤灰；礦粉；SF93型硅粉；普通自來水；數(shù)字式Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計，21號轉(zhuǎn)子。

1.3 試驗(yàn)方案

基準(zhǔn)組試驗(yàn)過程見圖1，在(60±2)s時讀數(shù)。

試驗(yàn)組為不同組成成分以及代替比例等質(zhì)量代替水泥，其余試驗(yàn)過程如基準(zhǔn)組，試驗(yàn)組設(shè)計方案見表1。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及方案

分別單獨(dú)摻入粉煤灰和礦粉，水泥膠漿的流變性較基準(zhǔn)組更好，但是摻入礦粉過量的情況下，容易發(fā)生泌水現(xiàn)象；同時摻入粉煤灰、礦渣，在礦渣摻量較多的情況下，泌水現(xiàn)象得到改善；在外加硅粉的情況下，流變性顯著變差。

表1 試驗(yàn)組設(shè)計方案

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

水泥粘度測試結(jié)果為400 cp，各試驗(yàn)組基準(zhǔn)稠度比結(jié)果見表2。

表2 基準(zhǔn)稠度比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

水泥與礦物摻合料加水拌合后存在著大量物理和化學(xué)反應(yīng)，極其復(fù)雜。水泥漿拌合時間與混凝土的初凝時間相比較短，故可將化學(xué)反應(yīng)部分忽略不計，主要考慮物理反應(yīng)。對各組試驗(yàn)結(jié)果回歸統(tǒng)計分析，見圖2。

由圖2可知，對于FA組，隨著粉煤灰的摻入，水泥膠漿粘度下降，在替代率約為30%時水泥粘度為最低，繼續(xù)增加粉煤灰的替代量，凈漿粘稠度有所回升。礦物摻合料粒子和水泥顆粒游離在水中，水泥膠團(tuán)粒子和粉煤灰膠團(tuán)粒子屬不同膠粒，相互吸附，部分結(jié)合形成新的膠團(tuán)粒子，并作為一個整體吸附水分子，稱其為水泥混合膠團(tuán)。另一部分水泥和礦物摻合料粒子沒有結(jié)合，單獨(dú)游離在水中，獨(dú)自吸附水分子。而摻入粉煤灰替代量為30%時，水泥與粉煤灰膠團(tuán)結(jié)合較為徹底。當(dāng)粉煤灰摻量持續(xù)升高，富余粉煤灰膠團(tuán)粒子獨(dú)立吸附水分子。當(dāng)水泥50%和粉煤灰50%復(fù)配時，粘度為390 cp，與100%凈漿稠度相比僅有10 cp的差距，幾乎等同于水泥凈漿稠度，由此可見對于水分子的吸附能力而言，粉煤灰對水分子的吸附能力要高于水泥。結(jié)合最徹底發(fā)生在FA30和FA40之間且靠近FA30。

對于FS組，由于礦粉的摻入，水泥漿的稠度顯著下降。并且隨著礦粉等量代替水泥的比例升高，粘度呈現(xiàn)先下降后提升的趨勢。當(dāng)?shù)V粉替代30%水泥時，其粘度為268 cp，與水泥凈漿粘稠度相比減少132 cp，此時富余的礦粉粒子獨(dú)立吸附水分子，說明礦渣和水泥凝結(jié)為整體，在FS30附近最為徹底，占基準(zhǔn)稠度的33%。礦粉對粘度的影響比粉煤灰更為顯著。實(shí)際工程中，當(dāng)水灰比較小，且對早期強(qiáng)度要求不是太高時，可以適當(dāng)增加礦粉的摻量，但是礦粉的摻入比例過大則容易出現(xiàn)離析的現(xiàn)象，因此不適合在大水灰比的混凝土中過多加入。對于FA FS組，粉煤灰、礦粉的同時復(fù)配摻入，水泥膠漿的粘稠度并沒有隨著復(fù)配比例的不同發(fā)生太大的改變，但是水泥膠漿的粘度普遍會比水泥凈漿的粘稠度要高，說明粉煤灰和礦粉共同摻入改變了水泥與水的結(jié)合模式。在FA20，F(xiàn)S10時粘度達(dá)到455 cp，該組配比對水泥親水特征改變最為顯著，更有利于水泥膠漿趨于均勻，更適合混凝土后續(xù)的水化反應(yīng)、水化二次反應(yīng)的進(jìn)行。對于FA FS SF組，該組在粉煤灰和礦粉的基礎(chǔ)上，引入硅粉，以此來研究硅粉對于水泥膠漿稠度的影響情況。由于硅粉的造價較高，在工程實(shí)踐中很少作為單一的礦物摻合料與水泥進(jìn)行摻配，所以在粉煤灰和礦粉的基礎(chǔ)上摻入適量的硅粉進(jìn)行試驗(yàn)。而由圖2可知，硅粉的加入對凈漿粘度有最為顯著的提高，這和硅粉本身具有的特性有關(guān)。硅粉對水吸附能力很大，有效地減少水損失，保證混凝土的水化反應(yīng)有足夠的水分，更加有利于細(xì)料后續(xù)的水化反應(yīng)以及水化二次反應(yīng)的進(jìn)行，在FA10，F(xiàn)S10，SF10時最高，達(dá)到633 cp。而隨著粉煤灰替代比例的逐步增長，不再出現(xiàn)之前那些由于礦物摻合料的摻入而大幅度改變漿體粘度的現(xiàn)象，而是呈現(xiàn)簡單線性關(guān)系。由此可見，由于硅粉的摻入，破壞了水泥顆粒表面的電荷特性，使熟料不能再和其他礦物摻合料結(jié)合成獨(dú)立粒子，增加了分散相的個數(shù)，各粒子獨(dú)立分散在分散液中。相比于水泥凈漿，由于硅粉的摻入，使?jié){體粘稠度有了顯著的提升，硅粉對水分子的吸附能力最大，對水泥膠漿稠度的改變最為顯著。因此，在實(shí)際的施工過程中，針對水灰比較大，礦粉含量很高的情況，為了減輕漿體離析的現(xiàn)象，可以適當(dāng)摻入少量的硅粉，使其能夠長時間的保持水泥膠漿的整體均勻，杜絕剛停滯攪拌就會出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象發(fā)生，硅粉會大幅度提高混凝土的工作性和強(qiáng)度，針對抗?jié)B有要求的工程，摻入硅粉的普通硅酸鹽混凝土是首要選擇。綜上所述，從粘度變化趨勢來看，礦粉、粉煤灰、硅粉均有調(diào)節(jié)水泥凈漿稠度的能力。在拌合的初期，對混凝土的工作性調(diào)節(jié)很大，礦粉和粉煤灰少量加入(低于30%)均使凈漿的稠度下降，而礦粉的摻入對于稠度下降影響則更為顯著，硅粉對于稠度提升貢獻(xiàn)最大。

3.2 水泥膠漿粘度因素分析

礦物摻合料的比表面積是影響水泥膠漿流變性的重要因素。影響粒子比表面積大小的因素有物質(zhì)的細(xì)度模數(shù)、該物質(zhì)的粒子形狀。由同倍數(shù)SEM電鏡分析圖可直觀的看到各物質(zhì)的粒徑大小以及微觀形狀。硅粉粒徑最小，且呈球形；水泥與粉煤灰粒徑相近，但水泥呈不規(guī)則多面體形，而粉煤灰則呈球狀；礦渣的粒徑最大，且礦渣的表面呈現(xiàn)為不規(guī)則的多面體。從圖3可以看出粉煤灰、水泥、礦渣的粒徑屬于同一數(shù)量級，粉煤灰外形呈球形而礦粉則為不規(guī)則的多面體，粉煤灰比表面積要大于礦粉，因此在吸附水的能力方面，粉煤灰大于礦粉，表現(xiàn)為以礦粉作為外摻劑的水泥膠漿粘度要低于以粉煤灰作為外摻劑的水泥膠漿粘度。相比于水泥的電鏡分析圖片，則可以看出水泥細(xì)料顆粒的粒徑雖亦呈現(xiàn)為不規(guī)則的多面體，但是水泥細(xì)料顆粒粒徑要小于礦粉大于粉煤灰，所以保水能力方面水泥介于礦粉與粉煤灰之間。

硅粉是相比于粉煤灰粒徑更加小的球狀物質(zhì)，表面的光滑程度要比粉煤灰高，所以達(dá)到相同的稠度所需顆粒的體積均勻性更好，使水泥膠漿中水的分布更加均勻，更加有利于熟料的水化，二次水化的進(jìn)行。由于硅粉的工程造價太高，同時過量的硅粉亦會增加水泥膠漿包裹粗細(xì)骨料的困難程度，所以推薦用量是5%～10%。

4 結(jié)語

1)從吸附水能力對水泥膠漿流變性的影響程度上講，硅粉由于其結(jié)構(gòu)形狀的原因保水性最強(qiáng)，對水泥膠漿流變性的影響最大，其次是礦粉、粉煤灰。2)由于硅粉對水泥膠漿流變性的顯著影響，對于有抗?jié)B特殊要求的土建工程，硅粉可以提升混凝土的抗?jié)B能力，建議用量是5%～10%。3)考慮水泥膠漿的流變性，配制高強(qiáng)水泥推薦使用FA10，F(xiàn)S10，SF10組合，對強(qiáng)度沒有特殊要求的工程則推薦FA20，F(xiàn)S40組合，該配比的水泥膠漿粘度和水泥凈漿的粘度最為相近，減少了水泥的摻量，控制了混凝土的水化熱，減少了工程造價。

[1] 徐海源，沙建芳，劉建忠.粉煤灰對水泥基材料流動性能影響及評價方法研究[J].混凝土與水泥制品,2014(12)：5-8.

[2] 張春杰，鄭 鑫.水泥瀝青膠漿流變性能試驗(yàn)研究[J].中外公路,2014(5)：244-247.

[3] 張忠倫，隋同波，陳富銀.用旋轉(zhuǎn)粘度計法研究HBC水泥膠漿的流變性能[J].遼寧建材，2005(1)：18-20.

[4] 黃大能.流變學(xué)在水泥與混凝土研究中的應(yīng)用[J].混凝土世界，2011(9)：15-16.

[5] 王軍龍.調(diào)整熟料硫堿比，改善水泥流變性[J].水泥工程，2013(6)：35-36.

[6] 喬麗娜，李麗霞，喬立軍，等.熟料和礦渣比表面積與水泥漿體流變性的線性關(guān)系[J].水泥，2010(5):14-16.

[7] 李化建，蓋國勝，黃佳材，等.水泥、水泥漿流變性的測定和改善[J].中國粉體技術(shù),2002(8):211-212.

On influence of mineral admixtures on rheological property of cement slurry★

Lv Lihua Yan Xu

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper researches the rheological property of the cement slurry, undertakes the viscosity tests by changing the types and mixture volumes of the mineral admixtures, analyzes the changes of the rubber paste viscosity, and proves by the result that the mineral admixtures have evident influence on the rheological property on the cement slurry, fly ash and mineral powder to increase the workability of the rubber paste and reduce the silicon powder.

mineral admixture, viscosity, rheological property, rotary viscosimeter, cement slurry

2015-05-25★：黑龍江科技廳攻關(guān)項(xiàng)目名稱：寒區(qū)低熟料高性能水泥混凝土路面的應(yīng)用研究(項(xiàng)目編號：GC12A110)

呂利華(1963- )，女，碩士生導(dǎo)師，副教授; 閆 旭(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)22-0126-03

TU525

A