礦物摻合料對水泥膠漿流變性能的影響★

呂利華 閆 旭

(東北林業大學土木工程學院,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

(東北林業大學土木工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

對水泥膠漿流變性進行了研究，通過改變礦物摻合料的品種及拌入量，對粘度進行了試驗，分析了膠漿粘度的變化情況，結果表明：礦物摻合料對水泥膠漿流變性影響顯著，可調節膠漿流變性，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，旋轉粘度計，水泥膠漿

水泥膠漿的流變性指的是在流變學的基礎上研究水泥膠漿的粘性、塑性、彈性隨時間演變的規律，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(簡稱為內部因素)、外界環境(簡稱為外界因素)。內部因素主要包含：水泥熟料及摻合料的細度、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：試驗儀器、外界溫度、濕度、接觸面積等。本文通過采用旋轉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粘稠數據，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，旨在對試驗室的配合比設計有指導意義。

1 試驗簡介

1.1 理論基礎

1.2 試驗材料和儀器

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；數字式Brookfield旋轉粘度計，21號轉子。

1.3 試驗方案

基準組試驗過程見圖1，在(60±2)s時讀數。

試驗組為不同組成成分以及代替比例等質量代替水泥，其余試驗過程如基準組，試驗組設計方案見表1。

2 試驗現象及結果

2.1 試驗現象及方案

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

表1 試驗組設計方案

2.2 試驗結果

水泥粘度測試結果為400 cp，各試驗組基準稠度比結果見表2。

表2 基準稠度比實驗結果

3 試驗分析

3.1 試驗結果分析

水泥與礦物摻合料加水拌合后存在著大量物理和化學反應，極其復雜。水泥漿拌合時間與混凝土的初凝時間相比較短，故可將化學反應部分忽略不計，主要考慮物理反應。對各組試驗結果回歸統計分析，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，水泥膠團粒子和粉煤灰膠團粒子屬不同膠粒，相互吸附，部分結合形成新的膠團粒子，并作為一個整體吸附水分子，稱其為水泥混合膠團。另一部分水泥和礦物摻合料粒子沒有結合，單獨游離在水中，獨自吸附水分子。而摻入粉煤灰替代量為30%時，水泥與粉煤灰膠團結合較為徹底。當粉煤灰摻量持續升高，富余粉煤灰膠團粒子獨立吸附水分子。當水泥50%和粉煤灰50%復配時，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。結合最徹底發生在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，粘度呈現先下降后提升的趨勢。當礦粉替代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立吸附水分子，說明礦渣和水泥凝結為整體，在FS30附近最為徹底，占基準稠度的33%。礦粉對粘度的影響比粉煤灰更為顯著。實際工程中，當水灰比較小，且對早期強度要求不是太高時，可以適當增加礦粉的摻量，但是礦粉的摻入比例過大則容易出現離析的現象，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、礦粉的同時復配摻入，水泥膠漿的粘稠度并沒有隨著復配比例的不同發生太大的改變，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合模式。在FA20，FS10時粘度達到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，更適合混凝土后續的水化反應、水化二次反應的進行。對于FA FS SF組，該組在粉煤灰和礦粉的基礎上，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，在工程實踐中很少作為單一的礦物摻合料與水泥進行摻配，所以在粉煤灰和礦粉的基礎上摻入適量的硅粉進行試驗。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。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有足夠的水分，更加有利于細料后續的水化反應以及水化二次反應的進行，在FA10，FS10，SF10時最高，達到633 cp。而隨著粉煤灰替代比例的逐步增長，不再出現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象，而是呈現簡單線性關系。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合成獨立粒子，增加了分散相的個數，各粒子獨立分散在分散液中。相比于水泥凈漿，由于硅粉的摻入，使漿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象，可以適當摻入少量的硅粉，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離析分層現象發生，硅粉會大幅度提高混凝土的工作性和強度，針對抗滲有要求的工程，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、硅粉均有調節水泥凈漿稠度的能力。在拌合的初期，對混凝土的工作性調節很大，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的細度模數、該物質的粒子形狀。由同倍數SEM電鏡分析圖可直觀的看到各物質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，且礦渣的表面呈現為不規則的多面體。從圖3可以看出粉煤灰、水泥、礦渣的粒徑屬于同一數量級，粉煤灰外形呈球形而礦粉則為不規則的多面體，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，則可以看出水泥細料顆粒的粒徑雖亦呈現為不規則的多面體，但是水泥細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，表面的光滑程度要比粉煤灰高，所以達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骨料的困難程度，所以推薦用量是5%～10%。

4 結語

1)從吸附水能力對水泥膠漿流變性的影響程度上講，硅粉由于其結構形狀的原因保水性最強，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，對于有抗滲特殊要求的土建工程，硅粉可以提升混凝土的抗滲能力，建議用量是5%～10%。3)考慮水泥膠漿的流變性，配制高強水泥推薦使用FA10，FS10，SF10組合，對強度沒有特殊要求的工程則推薦FA20，FS40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。

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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★：黑龍江科技廳攻關項目名稱：寒區低熟料高性能水泥混凝土路面的應用研究(項目編號：GC12A110)

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

1009-6825(2015)22-0126-03

TU525

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