凈漿攪拌轉速對混凝土性能的影響

陳允祿,李瑋健,馮偉風

(1.山東省公路橋梁建設集團有限公司,濟南 250014;2.山東里海工程技術有限公司,濟南 250002)

隨著自密實混凝土的大規(guī)模應用和快速發(fā)展,這種高流動性的水泥基材料的施工性能受到廣泛關注,基于改變剪切速率能夠改善水泥基材料的剪切稀化和剪切稠化效應也成為研究的熱點。研究表明,純水泥漿表現(xiàn)為剪切稀化漿體[1,2],但摻入不同摻合料和外加劑的水泥基材料在不同剪切速率條件下表現(xiàn)出不同的剪切稠化和剪切稀化效應,對混凝土的施工性能和力學性能產(chǎn)生較大影響。謝友均等[3-5]通過研究不同剪切速率條件下粉煤灰、石灰石粉對水泥凈漿剪切稠化和剪切稀化效應的影響,認為低摻量粉煤灰和石灰石粉能夠顯著降低漿體的臨界剪切速率、臨界剪切應力和最小粘度值,且粉煤灰對水泥漿的改善效果優(yōu)于石灰石粉,但增大粉煤灰摻量(超過50%)可以使水泥漿體由剪切稀化轉變?yōu)榧羟凶兂?也就是降低了水泥漿體由剪切變稀向剪切增稠轉變的臨界剪切速率,使?jié){體在較低的剪切速率下出現(xiàn)剪切增稠。馮愷雯等[6]通過研究不同剪切速率對石灰石粉-水泥漿體流變性能的影響,認為石灰石粉摻入后能夠提高水泥漿體剪切稀化效應,但增大石灰石粉的摻量或比表面積則能夠降低其稀化程度。黃海等[7]研究硅粉、礦粉、減水劑等對水泥凈漿和砂漿剪切稀化和稠化效應的影響,結果表明硅粉摻入后能夠提高水泥凈漿的剪切稀化效應,同時提高漿體粘度和屈服應力;礦粉摻入后雖然對水泥凈漿剪切稀化效應影響不大,但是降低了其觸變性能;減水劑摻入后能夠在低摻量條件下提高水泥凈漿剪切稀化效應,但提高摻量后,隨著剪切速率的提升會導致漿體逐漸稠化。上述研究為凈漿攪拌工藝的改善和優(yōu)化提供了有價值的數(shù)據(jù)支撐,尤其是在制備混凝土的凈漿裹石攪拌工藝中,凈漿的剪切稀化和剪切稠化效應會影響其流動性并進一步影響凈漿對骨料的包裹性以及其與骨料的粘接性能,進而影響混凝土拌和物性能和力學性能。目前,尚無這方面的相關研究?；诖?在現(xiàn)有對水泥漿體剪切稀化與剪切稠化研究理論的基礎上,研究凈漿裹石工藝中不同攪拌轉速條件下制備的凈漿對混凝土拌和物性能和力學性能的影響。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥采用山水集團生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為市售Ⅱ級粉煤灰,礦粉為市售S95級礦粉,外加劑為市售聚羧酸高性能減水劑(簡稱PCE),減水率為28.9%。膠凝材料化學組成如表1所示,水泥的性能指標如表2所示。

表1 膠凝材料化學成分 /%

表2 水泥性能指標

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土試驗基準配合比 /(kg·m-3)

1.3 攪拌工藝

混凝土制備時在表3的基礎上,采用凈漿裹石分步攪拌工藝進行混凝土的制備。首先將水泥、粉煤灰、礦粉等膠凝材料和混凝土總用水量90%的水、外加劑一起倒入自制單軸凈漿攪拌設備以300 r/min的速度攪拌30 s,形成均勻混合凈漿后,繼續(xù)改變轉速使其穩(wěn)定后,以300 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min的轉速繼續(xù)攪拌2 min形成不同攪拌速度下制備的凈漿。同時,將砂子和石子倒入混凝土攪拌設備,加入混凝土總用水量的10%的水對骨料進行充分潤濕和表面清洗,直至表面無泥、無粉塵、有水潤光澤。進一步將不同轉速下的凈漿停止攪拌,然后快速倒入混凝土攪拌設備進行混合攪拌,攪拌時間為60 s,形成混凝土拌和物。

1.4 試驗方法

1)凈漿黏度值

采用黏度計測定凈漿在300 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min轉速下的黏度值,精確至0.001 Pa·s。

2)混凝土坍落度、倒置坍落度筒排空時間及壓力泌水率

混凝土按表3的配合比,并采用上述凈漿裹石攪拌工藝進行制備,形成拌和物后,根據(jù)《普通混凝土拌合物性能方法試驗標準》GB/T 50080—2016的相關規(guī)定測試混凝土的坍落度、倒置坍落度筒排空時間和壓力泌水率,其中坍落度精確到1 mm,倒置坍落度筒排空時間精確到0.1 s,壓力泌水率精確到0.1%。

3)混凝土力學性能

采用150 mm×150 mm×150 mm的試模制備試樣,在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至7 d和28 d齡期,然后根據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T50081—2019的相關規(guī)定測試混凝土的抗壓強度,數(shù)值精確到0.1 MPa。

2 結果與討論

混凝土性能指標如表4所示。

表4 拌和物性能指標

1)不同凈漿攪拌速度對凈漿黏度值的影響

圖1所示為不同攪拌速度對凈漿黏度值的影響。從圖1中可以看出,隨著攪拌速度的升高,凈漿黏度值呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢,其中在攪拌轉速為1 200 r/min時,凈漿黏度值達到最小值為0.208 Pa·s。但在轉速增大到1 500 r/min時,其凈漿黏度值為0.209 Pa·s,與轉速為1 200 r/min時基本相同,可以判斷在轉速為1 200～1 500 r/min時,凈漿均維持在較低黏度值。這說明在摻入粉煤灰、礦粉、外加劑等多種組分形成的復合水泥凈漿表現(xiàn)出由剪切稀化轉變?yōu)榧羟谐砘奶攸c,也證明基于剪切稀化效應可以實現(xiàn)對凈漿黏度的降低。

2)不同凈漿攪拌速度對混凝土拌和物性能的影響

圖2～圖4所示為不同凈漿攪拌速度對混凝土坍落度、倒置坍落度筒排空時間和壓力泌水率的影響。

從圖2中可以看出,采用不同凈漿攪拌速度制備的混凝土其坍落度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在凈漿轉速為1 200 r/min時,混凝土初始坍落度達到最大值為267 mm,在凈漿轉速為1 500 r/min時,混凝土初始坍落度為265 mm,可以看出兩者測出的坍落度值相差不大。

從圖3中可以看出,隨著凈漿攪拌速度的增大,混凝土倒置坍落度筒排空時間呈現(xiàn)出先下降后升高的趨勢。凈漿攪拌轉速在1 200～1 500 r/min時,混凝土倒置坍落度筒排空時間最短,分別為6.8 s和6.9 s。比較圖4可以看出,不同凈漿攪拌速度對混凝土壓力泌水率的影響規(guī)律與對其倒置坍落度筒排空時間的影響規(guī)律基本相同,凈漿攪拌轉速在1 200～1 500 r/min時,混凝土壓力泌水率達到最小值,分別為20.1%和20.3%。

上述結果表明,對凈漿進行不同轉速的攪拌后,將其倒入骨料中,在低固定轉速條件下形成混凝土拌和物時,凈漿的攪拌速度影響混凝土的和易性。這主要是因為凈漿在不同攪拌速度下的黏度不同。因此,采用不同黏度的漿體倒入骨料時,漿體在骨料孔隙中的流動速率以及對骨料的包裹厚度不同,從而影響了混凝土拌和物整體的和易性。當凈漿攪拌轉速維持在1 200 r/min時,此時形成的凈漿黏度最小,將其倒入骨料中時能夠快速地滲到骨料縫隙中,實現(xiàn)對骨料充分和均勻的包裹,進一步由于凈漿倒入后,混凝土拌和物的轉速較低,所以凈漿會出現(xiàn)反向稠化現(xiàn)象,從而提高了凈漿的黏度,使得骨料表面包裹的凈漿厚度增加,降低了骨料之間的摩擦,提高其潤滑性,從而表現(xiàn)出混凝土拌和物坍落度提高、倒置坍落度筒排空時間縮短。當凈漿轉速達到1 500 r/min時,凈漿在高速攪拌條件下已經(jīng)出現(xiàn)稠化現(xiàn)象,所以黏度有輕微的升高,但也相對處于低值。但是當把漿體倒入骨料中時,由于反向稠化作用,其黏度先降低后升高,同樣實現(xiàn)了對骨料的充分均勻包裹,從而改善了其和易性。但是凈漿在轉速較低或較高時,凈漿黏度較大,對混凝土骨料的包裹均勻性相對較差,所以使得其拌和物和易性相對較差。

3)不同凈漿攪拌速度對混凝土抗壓強度的影響

圖5所示為不同凈漿攪拌速度對混凝土抗壓強度的影響。從圖5中可以看出,隨著凈漿攪拌速度的升高,混凝土7 d和28 d抗壓強度均呈現(xiàn)出先升高后降低的發(fā)展趨勢。其中,混凝土7 d抗壓強度在凈漿攪拌轉速為1 200 r/min時達到最大值為45.6 MPa,與凈漿攪拌轉速為1 500 r/min時混凝土的7 d抗壓強度45.4 MPa相差并不大;混凝土28 d抗壓強度在凈漿攪拌轉速為1 500 r/min時達到最大值為52.8 MPa,與凈漿攪拌轉速為1 200 r/min時混凝土28 d抗壓強度52.7 MPa沒有差異。因此可以說明,凈漿攪拌轉速控制在1 200～1 500 r/min時,混凝土的力學性能處于最大值區(qū)間。進一步比較不同凈漿攪拌速度對凈漿黏度和混凝土抗壓強度可以看出,隨著凈漿黏度的降低,混凝土的抗壓強度逐漸升高,在凈漿黏度最低時,混凝土的抗壓強度達到最大值。這說明凈漿黏度降低使凈漿和骨料之間混合的更加均勻,能改善漿體對骨料的包裹性,從而提高混凝土的力學性能。

3 結 論

凈漿裹石工藝對改善混凝土拌和物性能和力學性能具有一定效果。凈漿的剪切稀化效應有利于混凝土拌和物性能的改善,進一步改善其硬化性能。

a.隨著凈漿攪拌轉速的升高,凈漿黏度先降低后升高。當凈漿的攪拌轉速控制在1 200～1 500 r/min時,凈漿黏度處于最低值。

b.隨著凈漿攪拌轉速的升高,混凝土拌和物坍落度先升高后降低,倒置坍落度筒排空時間先降低后升高,壓力泌水率先降低后升高,7 d和28 d抗壓強度先升高后降低。凈漿的攪拌轉速控制在1 200～1 500 r/min時,凈漿黏度處于最小范圍,混凝土拌和物性能和力學性能最佳。