蔗渣灰摻量對混凝土流變性能的影響研究

摘要：文章以蔗渣灰摻量為控制變量，測試不同蔗渣灰摻量下的混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和坍落度，探究蔗渣灰混凝土的流變性能變化機(jī)理。結(jié)果表明：當(dāng)蔗渣摻量＜9%時對混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和坍落度的影響均較小，當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)急劇增大，而坍落度急劇減小，因此建議蔗渣灰摻量控制在＜9%；強(qiáng)度等級越高的混凝土流變性能對蔗渣灰摻量越敏感；靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和坍落度之間存在較好的線性關(guān)系，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)混凝土的性能需求來控制蔗渣灰的摻量。

關(guān)鍵詞：混凝土；蔗渣灰；流變性能

中圖分類號：U414.1" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.012

文章編號：1673-4874（2024）11-0037-03

引言

甘蔗渣是甘蔗在制糖過程中經(jīng)壓榨后留下的殘渣，為了充分利用甘蔗的能量，目前大部分甘蔗渣在制糖過程中會被用作制糖的燃料，在該過程中會產(chǎn)生大量的蔗渣灰。直接排放蔗渣灰必然會對自然環(huán)境造成不可逆的影響。我國南方地區(qū)盛產(chǎn)甘蔗，制糖業(yè)發(fā)達(dá)，蔗渣灰存量較大，因此如何利用蔗渣灰是亟須解決的問題。

目前，國內(nèi)外部分專家學(xué)者已開展了蔗渣灰在建筑材料中的應(yīng)用研究。陳正等［1-2］研究了蔗渣灰的顆粒特性及摻量對砂漿性能的影響，結(jié)果表明：顆粒級配分布較好的蔗渣灰對提升砂漿的強(qiáng)度具有積極的作用，適當(dāng)摻量的蔗渣灰也可提升砂漿強(qiáng)度。莫耀鴻等［3］研究了由礦粉和蔗渣灰組成的礦物摻和料摻量對海砂砂漿腐蝕行為的影響，結(jié)果表明：在礦粉和蔗渣灰摻量均為15%時，砂漿中鋼筋的腐蝕速率大幅降低，對砂漿鋼筋組合結(jié)構(gòu)的耐久性有積極的影響。黃萍等［4-7］的研究表明：適宜劑量的蔗渣灰替代部分水泥可改善混凝土的空隙結(jié)構(gòu)，提升混凝土的強(qiáng)度，改善混凝土的耐久性能。

綜上所述，目前已有部分關(guān)于蔗渣灰對砂漿及混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響研究，然而關(guān)于蔗渣灰對混凝土流變性能的研究仍然較少?；炷恋牧髯冃阅苡绊懟炷涟韬偷碾y易程度，直接決定混凝土的施工工藝，影響硬化后混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，最終對混凝土成型后的外觀質(zhì)量、力學(xué)性能和耐久性能造成影響，因此開展蔗渣灰混凝土流變性能研究非常有必要。

1試驗(yàn)

1.1原材料

水泥：P·Ⅰ 52.5級水泥，表觀密度為3 125 kg/m3，比表面積為334 m2/kg，氯離子含量為0.013%，不溶物含量為0.90%，氯化鎂含量為4.03%，燒失量為2.58%，三氧化硫含量為2.69%。水泥熟料的主要組成如表1所示。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%，凝結(jié)時間差為135 min，泌水率比為21%，飽和摻量為1.0%。本研究中的摻量也控制為1.0%。

骨料：細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)為2.85，含泥量為0.28%；粗骨料母巖為石灰?guī)r碎石，粒徑為10～20 mm，針片狀含量為4.0%。

蔗渣灰：由原始蔗渣灰經(jīng)煅燒、浮選、研磨、篩分后得到，比表面積為512 m2/kg，其中SiO2含量為68.9%，Al2O3含量為13.4%，F(xiàn)e2O3含量為8.4%，K2O含量為5.9%，CaO含量為3.3%。

1.2配合比設(shè)計

設(shè)計水膠比分別為0.49、0.39和0.35的三組混凝土，編號為A、B、C三組，三組混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級分別為C30、C40和C50，A、B、C三組混凝土蔗渣灰摻量均分別為0、3%、6%、9%、12%、15%和18%。配合比參數(shù)如下頁表2所示。

1.3試驗(yàn)方法

依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020）對以上各組混凝土的坍落度進(jìn)行測試，用ICAR流變儀對混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)μ進(jìn)行測試，其中靜態(tài)屈服應(yīng)力τ0表示混凝土發(fā)生塑性流動時所需的最小應(yīng)力，而黏度系數(shù)μ表示粘稠程度，相同剪切速率下，混凝土的黏度系數(shù)μ越大，混凝土的剪切應(yīng)力越大［8］。測試不同剪切速率下的混凝土剪切應(yīng)力，繪制剪切應(yīng)力τ與剪切速率γ關(guān)系曲線，斜率即為混凝土的黏度系數(shù)μ。

如圖1所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土靜態(tài)屈服應(yīng)力變化曲線。由圖1可知，當(dāng)蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力影響并不明顯；當(dāng)蔗渣灰摻量＜6%時，A、B、C三組混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力隨蔗渣灰摻量呈現(xiàn)小幅度降低的現(xiàn)象；當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的屈服應(yīng)力急劇增大，蔗渣灰摻量達(dá)18%時，A、B、C三組混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力分別達(dá)到2 254Pa、2 140Pa、2 317Pa，此時混凝土流動性較差，外觀質(zhì)量較差，插搗密實(shí)時間較長。

靜態(tài)屈服應(yīng)力反映了混凝土克服塑性變形的能力，屈服應(yīng)力由混凝土拌和物中固體顆粒之間的摩擦阻力和吸引力組成。當(dāng)蔗渣灰摻量較低時，蔗渣灰與水泥顆粒組成的二元體系可以形成很好的嵌擠結(jié)構(gòu)，蔗渣灰顆粒可以較好地填充水泥顆粒之間的空隙，形成很好的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，此時原本用于填充這一部分空隙的水被釋放出來，形成自由水，自由水的含量增加后，混凝土拌和物中的固體顆粒之間的距離也增大，固體顆粒直接接觸產(chǎn)生摩擦阻力的幾率變小，同時固體顆粒之間相互吸引的作用力也變小，因此低摻量的蔗渣灰對降低混凝土的屈服應(yīng)力具有積極作用。除此之外，煅燒后的蔗渣灰經(jīng)研磨后，呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，此時蔗渣灰在水泥顆粒、細(xì)骨料之間發(fā)揮“滾珠作用”，降低混合料體系的內(nèi)摩擦阻力，從而降低混凝土拌和物體系的屈服應(yīng)力。

混凝土拌和完成后，所有固體顆粒表面均要吸附一定厚度的水膜，吸附水膜量和顆粒的比表面積相關(guān)。因蔗渣灰的比表面積為512 m2/kg，而水泥顆粒的比表面積為334 m2/kg，因此在混凝土拌和物體系中，相同質(zhì)量下的蔗渣灰吸附的水膜質(zhì)量高于水泥吸附的水膜質(zhì)量，蔗渣灰對水膜的吸附作用會導(dǎo)致混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力增大。除此之外，蔗渣灰內(nèi)部存在部分碳，這些碳對減水劑具有吸附作用，能使混合料體系的有效減水劑含量降低，減水劑對水泥顆粒絮凝團(tuán)具有分散作用，當(dāng)蔗渣灰摻量較高時，蔗渣灰吸附的減水劑量較大，導(dǎo)致有效減水劑含量低于飽和摻量，水泥-蔗渣灰二元體系的絮凝團(tuán)數(shù)量較多，因此蔗渣灰對減水劑的吸附作用也會導(dǎo)致混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力增大。此時，蔗渣灰對水泥顆粒空隙的填充作用和對顆粒的“滾珠”作用對降低混凝土屈服應(yīng)力具有積極作用；同時蔗渣灰對水膜和減水劑的吸附對降低混凝土屈服應(yīng)力具有逆向作用，當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，蔗渣灰對水膜和減水劑的吸附作用相較于對固體顆粒的填充作用和“滾珠”作用更為顯著。此時，混凝土的屈服應(yīng)力隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)遞增的規(guī)律。

如圖2所示，當(dāng)蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土對混凝土黏度系數(shù)的影響較小，A組混凝土的黏度系數(shù)維持在30～40Pa·s，B組混凝土的黏度系數(shù)＜25Pa·s，C組混凝土的黏度系數(shù)＜20Pa·s；當(dāng)蔗渣灰＞9%時，混凝土的黏度系數(shù)隨蔗渣灰摻量的增加呈現(xiàn)遞增的規(guī)律；當(dāng)蔗渣灰摻量達(dá)到18%時，A組、B組和C組混凝土的黏度系數(shù)均＞100Pa·s，此時混凝土粘稠程度較高，拌和較為困難。當(dāng)蔗渣灰摻量＜18%，且A組、B組和C組混凝土的蔗渣灰摻量相同時，A組的黏度系數(shù)大于B組，B組的黏度系數(shù)大于C組。

混凝土的黏度系數(shù)和內(nèi)部砂漿的黏度系數(shù)相關(guān)，砂漿的黏度和內(nèi)部包含的水泥漿黏度相關(guān)，水泥漿的黏度由水泥顆粒之間的距離決定。蔗渣灰可以填充水泥顆粒之間的空隙，使原本用于填充這部分空隙的水被釋放出來，釋放出來的水增大了水泥顆粒之間的距離，對水泥顆粒具有潤滑作用，可降低水泥漿的黏度系數(shù)；蔗渣灰對減水劑具有吸附作用，使水泥-蔗渣灰二元體系的絮凝團(tuán)數(shù)量增多，絮凝團(tuán)中包裹的水不能釋放出來，水泥漿中的有效水量降低，固體顆粒之間的距離增大，因此蔗渣灰對減水劑的吸附作用會增大混凝土的黏度系數(shù)。

當(dāng)蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰填充作用、對減水劑的吸附作用對黏度系數(shù)的影響相當(dāng)，因此蔗渣灰摻量對混凝土黏度系數(shù)的影響不大。當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，蔗渣灰吸附減水劑對黏度系數(shù)的影響大于填充作用對黏度系數(shù)的影響，因此水泥漿的黏度系數(shù)增大，最終導(dǎo)致混凝土拌和物體系的黏度系數(shù)增大。

如圖3所示，當(dāng)蔗渣灰摻量＜9%時，混凝土的坍落度隨蔗渣灰摻量增加呈現(xiàn)小幅度增加的趨勢，當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土坍落度隨蔗渣灰摻量增大急劇下降。不摻蔗渣灰時，A組、B組和C組混凝土的坍落度分別為178 mm、214 mm和255 mm；當(dāng)蔗渣灰摻量達(dá)18%時，A組、B組和C組混凝土的坍落度分別為98 mm、86 mm和84 mm，此時A組、B組和C組混凝土相較于不摻蔗渣灰的混凝土坍落度分別降低50%、60%、67%，可見強(qiáng)度等級較高的混凝土流動性能對蔗渣灰摻量更為敏感。

A組和B組混凝土中，當(dāng)蔗渣灰摻量＞12%時，混凝土拌和物的棍度等級為“中”，當(dāng)蔗渣灰摻量＜12%時，混凝土拌和物的棍度等級為“上”；對于C組混凝土，當(dāng)蔗渣灰摻量＞15%時，混凝土拌和物的棍度等級為“中”，當(dāng)蔗渣灰摻量＜15%時，混凝土拌和物的棍度等級為“上”。

由圖1～3的線形規(guī)律可知，混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力和坍落度、黏度系數(shù)和坍落度之間存在相關(guān)關(guān)系，可對其進(jìn)行線性擬合。

靜態(tài)屈服應(yīng)力和坍落度之間的擬合關(guān)系式如式（1）所示：

y=-9.8x+2 493（R2=0.91）（1）

黏度系數(shù)和坍落度之間的擬合關(guān)系式如式（2）所示：

y=-0.57x+154.3（R2=0.86）（2）

靜態(tài)屈服應(yīng)力和坍落度的相關(guān)系數(shù)R2=0.91，黏度系數(shù)和坍落度的相關(guān)系數(shù)R2=0.86，相關(guān)性均較高。見圖4、圖5。

混凝土的流變性能和施工性能密切相關(guān)，當(dāng)混凝土的屈服應(yīng)力和黏度適當(dāng)時，混凝土展現(xiàn)出良好的流動性、可塑性、穩(wěn)定性和易密性，此時的混凝土易于施工，可泵性較好，成型后外觀質(zhì)量較好。當(dāng)混凝土的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)較低時，混凝土易離析，當(dāng)混凝土的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)較高時，混凝土的施工性能很差，偏高和偏低均會導(dǎo)致混凝土成型后外觀質(zhì)量差，孔隙密布，力學(xué)性能和耐久性能受到威脅。因此蔗渣灰在混凝土工程中進(jìn)行應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)混凝土的性能要求來控制蔗渣灰的摻量。

3結(jié)語

（1）當(dāng)蔗渣摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和坍落度的影響均較小，當(dāng)蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)急劇增大，而坍落度急劇減小，建議蔗渣灰摻量在控制在＜9%。

（2）強(qiáng)度等級越高的混凝土流變性能對蔗渣灰摻量越敏感。

（3）靜態(tài)屈服應(yīng)力、黏度系數(shù)和坍落度之間存在較好的線性關(guān)系，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)混凝土的性能需求來控制蔗渣灰的摻量。

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作者簡介：丘岳培（1991—），工程師，主要從事高速公路工程項(xiàng)目管理工作。

收稿日期：2024-05-16