石粉對機制砂水泥砂漿材料流變性能的影響研究

趙德新，符策源，關(guān)晗，李立輝

（1.廣西旺港高速公路有限公司，廣西南寧 530029；2.海南省交通工程建設(shè)局，海南?？?570208；3.交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088）

0 引言

近年來，我國河砂用量逐年上升，天然砂資源面臨枯竭，采用機制砂替代河砂是一個明智的選擇[1]。機制砂是巖石破碎后，粒徑小于4.75 mm 顆粒，但機制砂中含有一定量的石粉，石粉常被用于機制砂砂漿中，可與水泥砂漿形成密實網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強機制砂砂漿的黏結(jié)特性。石粉摻入后，完善了集料的級配，起到潤滑填充的作用，石粉也增加了拌合物的總體比表面積，提高了混凝土的黏聚性和保水性，在抗凍融、抗侵蝕、抗?jié)B透等性能方面顯著提升。

國內(nèi)外研究學(xué)者的研究大多集中于石粉含量對機制砂混凝土的耐久性能和力學(xué)特性的影響[2-5]。梁金科[6]研究了玄武巖石粉作混凝土摻合料，不同摻量對混凝土工作性、力學(xué)性能和氯離子的影響。結(jié)果表明：玄武巖石粉適量替代水泥拌制的混凝土，具有較好的和易性。余成行等[7]對高品質(zhì)機制砂混凝土流變性能的敏感性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)特定組分細(xì)粉顆粒的增加，降低高品質(zhì)機制砂混凝土的流變性能敏感性。王軍偉等[8]研究了機制砂物理特性對水泥砂漿的流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)相硅質(zhì)機制砂對水泥膠砂流動度的影響大。任強等[9]發(fā)現(xiàn)機制砂的顆粒粒型、堆積密度和比表面積是影響機制砂砂漿流變特性的主要因素。

針對石粉對機制砂砂漿的流變性能影響研究相對較少[10-13]，本文采用在花崗巖機制砂中混入石粉，研究石粉對機制砂水泥砂漿流變性能的影響，選擇了靜態(tài)與動態(tài)分析有機結(jié)合的流變試驗方法，反映水泥機制砂漿體內(nèi)部的流動和變形特性，研究石粉對水泥砂漿的流變性能影響并闡述其內(nèi)部相互作用機理規(guī)律。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

采用南寧華潤水泥有限公司產(chǎn)P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；花崗巖機制砂和石粉均采用廣西北海白沙鎮(zhèn)砂石場；水采用北海市自來水。

1.2 試驗方法

為探究石粉摻量對機制砂砂漿試件流變性能的影響，通過剪切速率與剪切應(yīng)力、時間與偏角、時間與黏度的關(guān)系曲線表征流變參數(shù)。屈服應(yīng)力控制測試試驗時間120 s，選用不同的加載速率依次對砂漿試件進(jìn)行剪切。蠕變恢復(fù)試驗在試驗前60 s 對砂漿試件采用恒定的50 Pa 應(yīng)力加載，后60 s 卸載應(yīng)力，記錄撤力后砂漿試件剪切變形偏角差的數(shù)值。動力黏度采用恒定的剪切速率20 s-1，對試件剪切120 s。觸變性采用前60 s內(nèi)剪切速率從0 逐漸加載到200 s-1，后60 s 剪切速率再由200 s-1逐漸減小為0。

2 結(jié)果與分析

2.1 屈服應(yīng)力

圖1 為不同石粉摻量下的機制砂砂漿剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系曲線，剪切速率均隨著剪切應(yīng)力的增加而逐步加快。試驗過程中的剪切應(yīng)力變化趨勢主要包括3 個階段：緩慢線性上升階段、極速上升階段和平衡階段。當(dāng)剪切速率呈現(xiàn)出高速上升的態(tài)勢時，此時的水泥砂漿內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)已被打破，對應(yīng)的剪切應(yīng)力已達(dá)到最大值，將剪切應(yīng)力保持穩(wěn)定的初始點稱為屈服點，對應(yīng)的應(yīng)力即為屈服應(yīng)力。

圖1 機制砂砂漿剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系

由圖1 知，當(dāng)機制砂水泥砂漿中石粉含量由0%增加到20%時，其對應(yīng)的屈服應(yīng)力數(shù)值從398.3 Pa 增長至1 145.3 Pa。即隨著石粉含量的增加，機制砂水泥砂漿的屈服應(yīng)力不斷增大。石粉含量小于10%，機制砂水泥砂漿的屈服應(yīng)力變化較小，但當(dāng)石粉含量大于10%時，其屈服應(yīng)力值迅速增大，石粉從0%增至10%，屈服應(yīng)力值增加186.5 Pa，而石粉由10%增至20%，屈服應(yīng)力值幾乎增加一倍（增加了560.5 Pa）。其原因是石粉顆粒具有填充作用，在石粉的作用下水泥的堆積空隙率變小，釋放出部分自由水使?jié){體流動性變高，起到了降黏潤滑的作用。當(dāng)水泥砂漿中石粉含量超過一定范圍，改變了水泥凈漿黏度，同時增加了砂漿顆粒之間的滑移阻力，石粉均勻散布在水泥漿中，一部分與水泥砂漿顆粒相互裹附并黏結(jié)，另一部分填充了砂漿中細(xì)小的孔隙，進(jìn)一步提高了水泥砂漿的屈服應(yīng)力。

2.2 蠕變恢復(fù)

蠕變恢復(fù)是靜態(tài)流變性能中的重要性能，通過偏角與時間的關(guān)聯(lián)曲線來表示蠕變恢復(fù)特性。圖2 是不同石粉摻量下水泥砂漿蠕變運動中偏角與時間的關(guān)系。

圖2 偏角與時間關(guān)系曲線

由圖2 可知，前60 s 保持恒定剪切應(yīng)力的加載條件下，機制砂水泥砂漿的偏角逐漸變大，第60 s 時達(dá)到最大蠕變偏角，從60 s 之后開始卸載應(yīng)力，在外力卸載的一瞬間，砂漿試件開始出現(xiàn)瞬時恢復(fù)的現(xiàn)象，隨后保持恒定直至試驗結(jié)束。其原因是，水泥砂漿與水泥凈漿的黏性特征不同，水泥砂漿更多地體現(xiàn)出塑性體，被剪切破壞后無法完全恢復(fù)至原水平狀態(tài)。在剪切試驗過程中會發(fā)生瞬時的回彈現(xiàn)象，這是由于砂漿試件在承受各向同性壓力時，形態(tài)不變，密度稍增，彈性變大，另一方面本身殘留部分彈性特征。

圖3 為機制砂水泥砂漿在摻入不同量石粉后的偏角差與最大偏角的關(guān)系曲線。

圖3 最大偏角和偏角差與石粉摻量的關(guān)系

由圖3 可知，機制砂水泥砂漿中石粉含量并不能決定漿體蠕變恢復(fù)的最大偏角。在石粉摻量較低時，最大偏角隨之變小，在15%的石粉摻量時，最大偏角出現(xiàn)峰值，而后隨即下降。機制砂砂漿的偏角差在石粉摻量較小時同屬于一個數(shù)量級，但是當(dāng)石粉摻量在15%時，機制砂砂漿的偏角差是未摻入石粉的5.7 倍。其原因在于石粉增強了機制砂砂漿的變形恢復(fù)能力。石粉的摻入可以填充機制砂水泥砂漿的內(nèi)部空間，使砂漿的總體密度增大，在受到各向同性的剪切應(yīng)力影響時，砂漿材料形態(tài)恒定不變，內(nèi)部密度稍增，彈性隨之變大。

2.3 動力黏度

水泥砂漿受到的外力大于屈服應(yīng)力時會被破壞，產(chǎn)生變形，動力黏度可以表征此階段的流變特性，即為剪切應(yīng)力與剪切速率的比值。當(dāng)外力大于屈服應(yīng)力后，水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)會被打破，出現(xiàn)剪切變稀的現(xiàn)象，此時出現(xiàn)的黏度數(shù)值偏小導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。為了避免機制砂砂漿在流變儀以較快的剪切速率下做不規(guī)則運動，采用低速的剪切模式，得到剪切時間與動力黏度的關(guān)系曲線（圖4），機制砂砂漿的黏度隨著剪切時間的延長而降低，且動力黏度降低的幅度逐步趨于緩和。

圖4 動力黏度與剪切時間的關(guān)系

從圖4 可知，前20 s 內(nèi)漿體的黏度快速下降，而后保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)，隨著石粉摻量的增加，漿體的初始和終止動力黏度均變大，石粉摻量20%時的終止動力黏度均遠(yuǎn)大于其他對照組。分析原因認(rèn)為，砂漿體系屬于剪切變稀流體，漿體改變初始狀態(tài)由難到易，石粉中含有活性SiO2、Al2O3等，與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致Ca(OH)2減少。而結(jié)晶Ca(OH)2的層間結(jié)構(gòu)依靠氧原子間氫鍵結(jié)合，Ca(OH)2數(shù)量減少，氫鍵結(jié)合力變?nèi)?，增強了漿體內(nèi)部顆粒的黏結(jié)力，更易形成絮凝網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增大了漿體的動力黏度。另一方面，石粉粒徑小，填補機制砂漿體中的孔隙，增大了砂漿內(nèi)部中顆粒與顆粒間接觸面，導(dǎo)致了摩擦增大，抵抗剪切應(yīng)力所產(chǎn)生的阻力即動力黏度也大。同時，動力黏度受到漿體中水泥分子之間的相互引力的作用，摻入石粉減少了水泥分子之間的距離，使?jié){體中的水泥顆粒更加緊密，增強了水泥分子之間的作用力。

2.4 觸變性

當(dāng)漿體受到剪切作用時，表觀黏度降低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會因剪切速率的增加而疏松，而當(dāng)終止剪切時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)恢復(fù)致密，黏度出現(xiàn)復(fù)原，即一觸就變的特性稱為觸變性。主要表征水泥砂漿遭到破壞后，在一定的時間內(nèi)的自我恢復(fù)能力。

圖5 為不同石粉摻量下漿體觸變性變化規(guī)律，剪切速率與剪切應(yīng)力所圍面積是觸變環(huán)面積的大小，表征漿體觸變性，反映漿體流動時破壞絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需能力的大小[14]和水泥砂漿在受到破壞后的自我恢復(fù)能力，其面積越大，說明恢復(fù)能力越差，面積越小恢復(fù)能力越強。

圖5 不同石粉摻量下漿體觸變性變化

隨著石粉摻量的增加，上行曲線與下行曲線之間的間距逐漸變小，即觸變環(huán)面積隨著摻入石粉含量的增加而逐漸變小。摻入機制砂砂漿觸變環(huán)面積與摻入機制砂砂漿體觸變環(huán)面積的差值除以未摻入機制砂砂漿的值為增量恢復(fù)率。

圖6 是滯后圈面積和增量恢復(fù)率與石粉摻量的關(guān)系曲線。

圖6 滯后圈面積和增量恢復(fù)率與石粉摻量的關(guān)系

當(dāng)石粉摻量較小時，機制砂的觸變性增量恢復(fù)率的變化率較大，分別為8.7%和9.6%。但當(dāng)石粉含量增加到15%、20%時，增量恢復(fù)率的變化率開始減小。分析原因認(rèn)為，石粉對漿體觸變性的機理體現(xiàn)在兩個方面：其一，在水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞后，石粉起到了黏結(jié)和填充的作用，在范德華力和靜電作用下的顆粒間距減小[15]，結(jié)構(gòu)更緊湊。其二，石粉具有較大的比表面積，為水泥漿體形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供更多的接觸點，構(gòu)成復(fù)雜穩(wěn)固的絮凝和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此觸變性越強，漿體被破壞時所需的能量更多，材料的恢復(fù)能力越強。但石粉摻量過多后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于一種充盈的狀態(tài)，未能體現(xiàn)出明顯的恢復(fù)效果。

3 結(jié)論

a）機制砂砂漿試件在加載的過程中隨著剪切速率的提高，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢線性上升階段、極速上升階段、平衡階段。機制砂砂漿的屈服應(yīng)力隨著石粉摻量的增加而變大。

b）石粉摻量對蠕變恢復(fù)有明顯的影響，石粉摻量越高，偏角差越大。當(dāng)石粉摻量為15%時，水泥砂漿的偏角差是未摻入石粉的5.7 倍。

c）隨著剪切速率逐漸增加，機制砂砂漿的動力黏度逐步變小，并產(chǎn)生了剪切變稀流變特征。在石粉摻量不斷增大的情況下，初始和終止動力黏度均變大。

d）觸變性利用觸變環(huán)的面積表征遭到破壞后的自我恢復(fù)能力，摻入石粉的砂漿試件的觸變環(huán)面積明顯小于未摻入，同時隨著石粉摻量含量的增加，觸變環(huán)的面積變小，自我恢復(fù)能力變強。