礦物摻合料對(duì)水泥流變性的影響

曹　強(qiáng)

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 渭南 714099;2.陜西省煤基低碳醇轉(zhuǎn)化工程研究中心，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

礦物摻合料對(duì)水泥流變性的影響

曹強(qiáng)1，2

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 渭南 714099;2.陜西省煤基低碳醇轉(zhuǎn)化工程研究中心，陜西 渭南 714099)

采用Marsh筒、流動(dòng)度儀和旋轉(zhuǎn)流變儀分別研究了煤矸石、鋼渣和粉煤灰對(duì)水泥流變性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，鋼渣礦物由于結(jié)晶致密、水化反應(yīng)比水泥慢，有利于水泥漿體流動(dòng)。粉煤灰摻合水泥的流動(dòng)度低于鋼渣摻合料。煤矸石表面能較高，水化反應(yīng)快，容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，不利于水泥漿體流動(dòng)。因此，合理利用煤矸石作摻合料的措施需要進(jìn)一步研究。

煤矸石；鋼渣；粉煤灰；流變性；水泥漿

0　引言

混凝土是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的一種材料[1]，其工作性能的好壞對(duì)施工質(zhì)量有重要的影響[2-3]，在配制高性能混凝土?xí)r,常采用活性礦物摻合料,以增加混凝土的強(qiáng)度、減輕建筑質(zhì)量、提高耐久性能等[4-5]。徐光勝[6]對(duì)在砂漿中摻入粉煤灰和礦粉進(jìn)行了研究，摻量相同時(shí)，粉煤灰改善砂漿流動(dòng)性效果好于礦粉；有文獻(xiàn)指出，礦物摻合料代替水泥30%時(shí)水泥基復(fù)合漿體為牛頓流體，代替水泥40%時(shí)漿體為假塑性流體。[7]常見的工業(yè)廢渣有粉煤灰、鋼渣、煤矸石等，可以部分代替水泥改善漿體流動(dòng)性，進(jìn)一步提高硬化水泥石后期強(qiáng)度[8-9]。選用這些廢渣作混凝土的摻合料，不僅能減少工業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境的污染，又是一種資源化利用的過(guò)程，具有環(huán)保意義和經(jīng)濟(jì)效益。為了研究不同礦物摻合料對(duì)水泥漿體流動(dòng)性能的影響,選用鋼渣、煤矸石和粉煤灰配制混合水泥漿體，測(cè)試了其對(duì)水泥流變性的影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)

1.1原材料

普通硅酸鹽水泥P·O42.5，陜西秦嶺水泥廠，水泥成分如表1所示。

煤矸石：取自陜西黃陵礦業(yè)公司，細(xì)度60 μm，化學(xué)成分如表2所示。

鋼渣：取自馬鋼公司，密度為3.3 g/cm3，容重2.15 g/cm3，化學(xué)成分如表2所示。

粉煤灰：秦嶺電廠I粉煤灰，密度2.21 g/cm3，平均粒度45 μm，化學(xué)成分如表2所示。

聚羧酸系高效減水劑(PC)：陜西精誠(chéng)建材公司。

1.2配合比

分別用煤矸石、鋼渣、粉煤灰取代10%、20%和30%的水泥，聚羧酸系高效減水劑用量為0.2%，在水灰比0.29條件下制漿。

表1　水泥化學(xué)成分指標(biāo)

表2　摻合料的化學(xué)成分(%)

1.3試驗(yàn)方法

通過(guò)Marsh筒測(cè)試，水泥漿體流動(dòng)度測(cè)試及旋轉(zhuǎn)流變儀來(lái)評(píng)價(jià)水泥漿料的流變性能。

1.3.1Marsh筒測(cè)定

試驗(yàn)用Marsh筒的形狀及尺寸如圖1所示。測(cè)試時(shí)，將500 mL水泥凈漿用凈漿攪拌機(jī)攪拌均勻的漿體倒入Marsh筒內(nèi)，測(cè)試漿體從下部料嘴流出50 mL、 100 mL和150 mL所用的時(shí)間，水泥漿的流動(dòng)性能越好，所用時(shí)間越短。

圖1　Marsh筒法

1.3.2流動(dòng)度測(cè)定

試驗(yàn)參照GB/T8077—2000 混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法進(jìn)行，取300 g水泥，倒入攪拌鍋內(nèi)。加入87 g水和一定量的礦物摻合料及高效減水劑，攪拌2 min。將拌好的水泥凈漿迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí)，任凈漿在玻璃板上流動(dòng)，30 s后，用直尺量取相互垂直的兩個(gè)方向的最大直徑，取平均值作為水泥凈漿的流動(dòng)度。

1.3.3旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)定

將混合均勻的漿體置于攪拌鍋，先慢速攪拌2 min，再快速攪拌2 min。采用英國(guó)馬爾文旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)試新拌水泥漿的流變性能，剪切速率從0增加至150 s-1，記錄不同剪切速率時(shí)的剪切應(yīng)力，繪制流變曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1Marsh筒測(cè)試結(jié)果與討論

用3種摻合料配制的試樣Marsh筒流動(dòng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2　Marsh筒流動(dòng)時(shí)間

圖3　摻合料代替20%時(shí)各試樣的流動(dòng)度

圖2顯示的是煤矸石、鋼渣和粉煤灰分別代替20%水泥時(shí)流動(dòng)體積與所用時(shí)間的關(guān)系，從圖2中可以看出，流出體積50 mL時(shí)，鋼渣水泥混合料、粉煤灰水泥混合料、煤矸石水泥混合料的Marsh流動(dòng)時(shí)間很接近，分別是10 s、12 s和13 s。隨著流動(dòng)體積的增加，Marsh流動(dòng)時(shí)間的差距在加大，流動(dòng)性能從大到小的次序?yàn)椋好喉肥嗷旌狭?粉煤灰水泥混合料<鋼渣水泥混合料，當(dāng)混合料流出體積150 mL時(shí)，三者對(duì)應(yīng)的Marsh流動(dòng)時(shí)間分別是43 s、37 s和33 s。原因在于煤矸石的活性最大，吸水性能強(qiáng)，它會(huì)提高漿料的內(nèi)摩擦力，增加塑性粘度，降低漿體流動(dòng)度，Marsh時(shí)間就長(zhǎng)。相反，鋼渣活性最小，Marsh時(shí)間最短。粉煤灰水泥混合料的Marsh時(shí)間介于兩者之間。

2.2截錐圓模流動(dòng)度測(cè)定結(jié)果與討論

圖3是利用截錐圓模測(cè)試的不同摻合料水泥拌合物的流動(dòng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，摻鋼渣的漿體流動(dòng)性最好，流動(dòng)度為234 mm；摻粉煤灰的漿體流動(dòng)度次之，其值為221 mm；煤矸石的摻入不利于漿體的流動(dòng)，這同周梅等人的研究結(jié)論一致[10]，漿體的流動(dòng)度只有199 mm。因?yàn)榻?jīng)過(guò)煅燒的煤矸石，晶格發(fā)生畸變,Si-O和Al-O被打開，激發(fā)了較強(qiáng)的膠凝活性，其水化速率相對(duì)高于鋼渣和粉煤灰，對(duì)體系的自由水消耗最快，導(dǎo)致了較差的流動(dòng)度。

2.3流變儀測(cè)試結(jié)果與討論

2.3.1鋼渣對(duì)水泥流變性能的影響

圖4　鋼渣對(duì)水泥流變性能的影響

圖5　煤矸石對(duì)水泥流變性能的影響

圖4是摻鋼渣的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當(dāng)剪切速率為150 s-1時(shí)，鋼渣代替水泥10%、20%、30%，其對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力分別是：305 Pa、256 Pa和180 Pa。可以看出，在相同的剪切速率下剪切應(yīng)力隨鋼渣用量的增加而減小，也就是流體的流動(dòng)性在加大，原因是鋼渣礦物的形成溫度比水泥中的硅酸鹽高200℃～300℃，致使鋼渣中C2S和C3S結(jié)晶致密、晶體粗大，水化反應(yīng)慢于水泥，所以混合漿料的流動(dòng)性較水泥有所提升，并且與同摻量煤矸石(如圖5所示)和粉煤灰(如圖6所示)相比，摻鋼渣的漿體剪切應(yīng)力最小，最有利于流動(dòng)。

2.3.2煤矸石對(duì)水泥流變性能的影響

圖5是摻煤矸石的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當(dāng)剪切速率為150 s-1時(shí)，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%，其對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)力分別是：331 Pa、368 Pa和406 Pa。煤矸石粉因其較強(qiáng)的膠凝活性，比表面積大、吸附水量較多、表面能較高，很容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，降低水泥漿的流動(dòng)性，[11-12]故其剪切應(yīng)力隨摻量的增加而明顯增大，這同本文中漿體流動(dòng)度測(cè)試結(jié)論一致。

2.3.3粉煤灰對(duì)水泥流變性能的影響

圖6　粉煤灰對(duì)水泥流變性能的影響

圖6是摻粉煤灰的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當(dāng)剪切速率為150 s-1時(shí)，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%時(shí)的剪切應(yīng)力分別是：315 Pa、291 Pa和264 Pa。在一定的剪切速率下，隨粉煤灰代替量增大混合漿料的剪切應(yīng)力有小幅降低，例如，當(dāng)剪切速率為120 s-1時(shí)，摻20%粉煤灰(剪切應(yīng)力185 Pa)比摻10%(剪切應(yīng)力215 Pa)的剪切應(yīng)力下降了30 Pa，摻3%(剪切應(yīng)力157 Pa)粉煤灰比摻20%(剪切應(yīng)力185 Pa)的剪切應(yīng)力下降了28 Pa。因?yàn)榉勖夯抑星蛐尾Ａw起滾珠作用，會(huì)使水泥體系流動(dòng)性提高，但用量增大時(shí)吸水量增加，增強(qiáng)了體系的粘聚性，對(duì)流動(dòng)性有不利影響。故隨粉煤灰用量增加體系表現(xiàn)出剪切應(yīng)力略有下降的趨勢(shì)。

3　結(jié)論

在聚羧酸系高效減水劑用量為0.2%，煤矸石、鋼渣、粉煤灰分別代替水泥質(zhì)量10%～30%范圍內(nèi)，水灰比為0.29的條件下實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 鋼渣礦物由于結(jié)晶致密、晶體粗大，水化反應(yīng)比水泥慢，最有利于水泥漿體流動(dòng)。

(2) 粉煤灰摻合水泥的流動(dòng)度低于鋼渣摻合料。

(3) 煤矸石比表面積大，表面能較高，水化反應(yīng)最快，容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，最不利于水泥漿體流動(dòng),合理利用煤矸石作摻合料的措施需要進(jìn)一步研究。

[1] J. Justs,M. Wyrzykowski,D. Bajare,et al. Internal curing by superabsorbent polymers in ultra-high performance concrete [J].Cement and Concrete Research,2015,76(4):7682-7690.

[2] D. Rambo,F. Silva,R. Filho. Effect of steel fiber hybridization on the fracture behavior of self-consolidating concretes [J].Cement and Concrete Composites,2014,54(11):100-109.

[3] 阮炯正.混凝土摻合料應(yīng)用和生產(chǎn)技術(shù)研究[J].建筑技術(shù)，2012,43(1)：12-14.

[4] 張作順,徐利華,賽音巴特爾,等.鋼渣礦渣摻合料對(duì)水泥性能的影響[J].金屬礦山，2010，(7)：173-175.

[5] 李相國(guó),李孟蕾,馬保國(guó),等.改性花崗巖石粉對(duì)水泥的性能影響[J].混凝土,2013，(8)：87-90.

[6] 徐光勝.水膠比與礦物摻合料、膠粉摻量對(duì)砂漿流變學(xué)性能影響的研究[D].開封：河南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[7] 馬保國(guó)，付浩兵，王慧賢，等.礦物摻合料復(fù)摻對(duì)水泥基材料流變性能的影響[J].新型建筑材料，2013，(8):1-8.

[8] 袁曉露.礦物摻合料與外加劑對(duì)水泥凈漿、砂漿流變性能及經(jīng)時(shí)損失影響[D].重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[9] 姜哲，劉建忠，劉加平.低水膠比下礦物摻合料對(duì)凈漿流動(dòng)性與流變性能的影響[J].混凝土，2011，(5)：67-69.

[10] 周梅，陳沖,路其林，等.自燃煤矸石摻合料與高效減水劑相容性研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2015，34(3)：631-638.

[11] 長(zhǎng)龍,喬春雨,王爽,等.煤矸石與鐵尾礦制備加氣混凝土的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39(4)：764-769.

[12] 張毅.煤矸石水泥凈漿流動(dòng)性研究[J].城市道橋與防洪，2015，(5)：237-239.

【責(zé)任編輯馬小俠】

Influence of Mineral Admixtures on the Rheology of Cement Paste

CAO Qiang1,2

(1. School of Chemistry and Environment,Weinan Normal University,Weinan 714099,China; 2. Coal Based Higher Alcohol Engineering Research Center of Shaanxi Province,Weinan 714099,China)

The influence of gangue,slag and flyash on rheological property of cement paste were investigated by the Marsh cone,micro slumps method and rotational rheometer. The results showed that slag mineral was most beneficial to liquidity of cement paste because of its dense crystal,slower hydration reaction than cement. Liquidity of cement paste mixed with flyash was slower than that mixed with slag. Gangue has high surface energy. The hydration reaction speed of gangue was the most rapid. The flocculent structures which was disadvantageous to flow of cement paste could be easily formed by gangue. Measures for rational utilization of gangue as concrete admixture need to be further studied.

gangue; slag; flyash; rheology; cement paste

TQ172.78

A

1009-5128(2016)12-0036-05

2015-06-22

陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目:微孔(刺狀)聚苯胺/石墨烯納米復(fù)合材料對(duì)有害氣體響應(yīng)性的研究(14JK1257)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科項(xiàng)目：秦東化工材料技術(shù)調(diào)查(14TSXK04)

曹強(qiáng)(1980—)，男，陜西藍(lán)田人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院講師，陜西科技大學(xué)博士研究生，主要從事綠色化學(xué)品研究。