復合粉體組成對漿料流動性影響的研究

程從密，方　喬，徐海軍，歐陽偉

（1.廣州大學土木工程學院，廣東廣州　510006；2.廣州市建筑研究院有限公司，廣東廣州　510440）

復合粉體組成對漿料流動性影響的研究

程從密1，方喬1，徐海軍2，歐陽偉1

（1.廣州大學土木工程學院，廣東廣州510006；2.廣州市建筑研究院有限公司，廣東廣州510440）

多種不同粒徑的粉體復合對漿料流動度的影響較為復雜.文章研究了砂粉－基準水泥－超細水泥系統中各組份質量分數的變化對漿料流動度的影響，并通過濃度三角形分析砂粉－基準水泥－超細水泥系統漿料流動度的分布規律.研究表明，濃度三角形適合于分析三元系統中各組份質量分數變化對漿料流動度的影響規律.

粉體；顆粒級配；流動性；濃度三角形

復合水泥基粉體在生產實踐中有廣泛的應用，如水泥型人造石材、瓷磚膠、無機灌漿料、自流平砂漿等.粉體的顆粒級配對提高產品的工藝性能、物理力學性能和降低生產成本都有積極的意義［1－2］.

本文研究砂粉－基準水泥－超細水泥系統組份變化對漿料流動性的影響，并用濃度三角形分析三元系統組成與流動度關系.該研究方法對工業生產過程中三元系統配合比調整有很好的指導意義.

1　基本原理

通過完善顆粒級配提高拌合物流動性是工程常用方法［3］.對于顆粒形狀較好、類型相近的顆粒體系，通過最緊密堆積理論計算可得出與實驗結果基本相符的顆粒級配體系［4］.通過分析最緊密堆積對粉體粒徑分布的要求和實際水泥粉體的粒徑分布，可提出實現最緊密堆積的途徑［5］.

無機粉體漿料的流變學模型接近于賓漢姆模型，可以將其看作賓漢姆體進行研究.其方程如公式1所示.

式中，

τ—漿料流動時所受剪切力；

τf—漿料的屈服應力；

η—塑性粘度；

dr/dt—漿料應變速率.

漿料流動時所受剪切力τ與漿料的屈服應力τf、塑性粘度η和漿料應變速率dr/dt有關.當剪應力τ大于屈服應力τf時漿料才能流動.低屈服應力τf和低塑性粘度η的漿料才具有較好的流動性.粘度是漿料流動過程中需克服的內摩擦阻力.粉體顆粒級配對其粘度的影響直接導致漿料流動度的變化.

混凝土和砂漿的顆粒級配對流動性的影響有較多研究［6－7］.顆粒較小的粉體漿料自重較輕，自重產生的剪切力小，因而其流動性具有與混凝土不同的特點.

研究三元系統時常用等邊三角形來表示各組份的組成，該三角形又稱為濃度三角形［8］.三角形的3個頂點表示3個純組份的組成；三條邊表示3個二元系統的組成；而三角形內的任意一點都表示含有3個組份的三元系統.三元系統的每一個組成都可以在濃度三角形中找到對應且唯一的點.

本文研究砂粉－基準水泥－超細水泥3種不同粒徑的粉料復合對流動性的影響，并用濃度三角形對實驗數據進行分析.

2　試驗材料與方法

（1）砂粉，廈門艾思歐標準砂有限公司產的中國ISO標準砂經球磨機粉磨，比表面積210cm2· g－1.

（2）基準水泥，檢驗混凝土外加劑性能的專用水泥，是符合GB 8076－2008標準附錄要求控制指標的P.I型硅酸鹽水泥，比表面積3 890cm2·g－1.

（3）超細水泥，硅酸鹽系列，比表面積≥7 000cm2·g－1，平均粒徑約為5～10μm，廣州番禺超特建材.

漿料流動度的測試按國家標準《混凝土外加劑勻質性試驗方法》GB/T 8077－2012規定的水泥凈漿流動度試驗進行.考慮到所用粉體顆粒小于普通硅酸鹽水泥，實驗時采用的用水量大于標準規定值.

3　復合粉體組成對漿料流動度的影響

為研究不同粒徑粉體復合對漿料流動度的影響，采用了砂粉、基準水泥、超細水泥3種不同粒徑的粉體復合進行漿料流動度試驗.

表1　三元系統配合比及流動度Table 1　Themix and fluidity of ternary system

試驗配合比及拌合物流動度如表1所示.1～ 12號試樣為單一粉體和二元粉體系統，分別采用砂粉、基準水泥、超細水泥兩兩復合而成，并改變二元系統各組份的質量分數.13～21號試樣是砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統，依次固定其中一種粉體質量分數為0.11，改變另外2種粉體質量分數比.22～27號試樣也是砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統，依次固定其中一種粉體質量分數為0.28，并改變另外2種粉體質量分數比.28號樣是濃度三角形重心位置，3種粉料質量比為1∶1∶1.

圖1　二元系統漿料流動度Fig.1　The slurry fluidity of binary system

3.12種粉料復合對漿料流動度的影響

圖1所示為二元系統細粉料質量分數與漿料流動性關系.

對于混凝土而言，在骨料相同的情況下，粒徑越小，比表面積越大，包裹水泥漿越薄，顆粒相互作用數目增多，塑性粘度相應提高，流動性下降.但是，本實驗的砂粉－基準水泥二元系統中，基準水泥質量分數越大，漿料流動度越大.這是因為粉體漿料自重小，在用水量較大的情況下，良好的顆粒級配和形狀有益于流動性的提高.技術人員對自流平砂漿的研究也有類似結果［9－10］.

圖1所示，砂粉－超細水泥二元系統中，超細水泥質量分數較小時（小于0.25），漿料流動度隨超細水泥質量分數的增加略有提高.但隨著超細水泥質量分數的增加，漿料流動度迅速下降.表明低質量分數的超細水泥對砂粉有一定的潤滑作用，形成礦物減水效應，抵消了粉料比表面積增加對漿料流動度減少的影響.

基準水泥－超細水泥二元系統中，漿料流動度隨著超細水泥質量分數的增加迅速下降.這是由于超細水泥與基準水泥粒徑差別相對較小，超細水泥對基準水泥沒有潤滑作用.有研究表明二元充填微細膠凝材料的尺寸應在被填充材料顆粒尺寸的至1/10范圍內［11］.

當超細水泥質量分數較大時，漿料流動度主要受超細水泥用量的影響，砂粉－超細水泥二元系統和基準水泥－超細水泥二元系統在超細水泥質量分數較大時表現出相近的流動度.

3.23種粉料復合對流動度的影響

圖2所示為固定超細水泥質量分數時，基準水泥質量分數與漿料流動度的關系.

超細水泥質量分數為0，0.11，0.28時，漿料的流動性都隨著基準水泥質量分數的增加而增加.隨著超細水泥質量分數的增加，曲線略趨于平緩.這是因為超細水泥比表面積大，對流動度有較大影響，相應削弱了基準水泥的影響.

圖2　固定超細水泥量的漿料流動度Fig.2　The fluidity of slurry with fixed superfine cement content

圖3所示為固定砂粉質量分數時，超細水泥質量分數與漿料流動度的關系.

砂粉質量分數分別為0，0.11，0.28時，拌合物流動度都隨超細水泥的質量分數增加而急劇下降.表明當粉料比表面積大幅增加時，漿料流動度顯著下降.砂粉質量分數為0.11時的漿料流動度略大于砂粉質量分數為0和0.28時漿料的流動度.

圖4所示為固定基準水泥質量分數時，超細水泥質量分數與漿料流動度的關系.

圖3　固定砂粉量的漿料流動度Fig.3　The fluidity of slurry with fixed sand power content

基準水泥質量分數為0和0.11時，超細水泥質量分數的變化對拌合物流動度的影響相近.均表現為隨著超細水泥質量分數的增加，漿料流動度先略微上升，再急劇下降.這是因為超細水泥和基準水泥總量不高時，對砂粉有潤滑作用；隨著超細水泥質量分數的增加，超細水泥對流動度的負作用顯著加強.

當基準水泥質量分數為0.28時，超細水泥質量分數低，拌和物有較好的流動性.隨著超細水泥質量分數增加，拌合物流動性急劇下降.

當超細水泥質量分數高于0.75時，砂粉－基準水泥－超細水泥系統其他兩組份比例的變化對漿料流動性影響很小.即漿料流動性完全取決于超細水泥的質量分數.

圖4　固定基準水泥量的漿料流動度Fig.4　The fluidity of slurry with fixed standard cement content

4　三元系統漿料流動度的分布規律

根據表1砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統配合比和流動度實驗數據，結合上述三元系統組份變化對流動度影響規律的分析，繪制基于濃度三角形的砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統流動度分布圖（圖5）.

圖5中，用濃度三角形表示砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統的組成.大三角形的3個頂點表示單一粉體，相應粉體的質量分數為1.3條邊分別表示3個二元系統的組成，與邊相對頂點的粉體質量分數為0.三角形內任意一點都表示含有砂粉－基準水泥－超細水泥的三元系統.圖5中的2個小三角形各邊分別表示對應頂點粉體質量分數為0.11和0.28的復合粉體.

圖5中各編號點粉體組成與表1對應，括號內的數字是相應漿料的流動度.利用圖2、圖3、圖4中二元組分變化與流動度關系曲線，用插值法找到組分不同但流動度相同的點，將流動度相同的點連起來，就形成砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統流動度分布圖.分布圖中同一曲線上各點組份不同，但流動度相同.

圖5　三元系統流動度分布圖Fig.5　The fluidity distribution of ternary system

圖5所示三元系統流動度分布圖可進一步得出復合粉體流動度分布規律.如根據1號點周邊曲線特點，可看出當砂粉質量分數很大時，細粉料（基準水泥和超細水泥）質量分數的增加對漿料流動度影響不大.這是因為細粉料質量分數小時，不能充滿砂粉間的空隙，因而對流動度影響不大.21號、22號點附近的陰影區構成一個流動度穩定點，砂粉－基準水泥－超細水泥系統的組成在此區域內變化時，漿料流動度變化不大.

本研究方法對指導工業生產過程中三元系統配合比調整有很好的指導意義.工業生產中可以根據圖5所示三元系統流動度分布圖，結合材料的物理力學性能、變形性能和成本等因素優選適用的配合比.

當然，影響漿料流動度的因素很多，特別是用水量.在不同用水量情況下，復合漿料組份變化會出現不同的規律.本研究的意義在于提供了一種特定條件下的研究方法服務于工業生產.

5　結　論

（1）砂粉－基準水泥二元系統中，基準水泥質量分數越大，漿料流動度越大.而砂粉－超細水泥二元系統和基準水泥－超細水泥二元系統正好相反，超細水泥質量分數越大，漿料流動度越小.

（2）由于超細水泥具有過高的比表面積，且與基準水泥粒徑相差不夠大，因而在砂粉－基準水泥－超細水泥系統中促使流動度快速下降.

（3）通過對流動度實驗數據進行深入分析，在濃度三角形上繪制砂粉－基準水泥－超細水泥三元系統流動度分布圖.基于濃度三角形的三元系統流動度分布圖適合于分析三元系統中各組份質量分數變化對漿料流動度的影響規律.

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Study on the effect of com posite powder com position on the slurry fluidity

CHEN Cong-m i1，FANG Q iao1，XU Hai-jun2，OU Yang-wei1

（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Guangzhou Institute of Building Science Co.，LTD.510440，China）

The effect of powder composite particle sizes on paste fluidity is complicated.In this paper，the influence of the change of the mass fraction of each component in the sand-based cement and superfine cement system is studied，and the distribution law of the slurry fluidity of sand-base cement slurry system is analyzed by using the concentration triangle.The study shows that the concentration of the triangle can analyze the influence of the change of themass fraction of each component in the system of the three element system.

powder；grain composition；liquidity；composition triangle

1671-4229（2015）06-0050-05

TB 301

A

2015－10－20；

2015－10－30

廣州市科委2015年產學研資助專項（156500058）；廣州市科技創新平臺資助項目（15180005）

程從密（1972－），男，副教授，博士.E-mail：1972.1congmi2008＠sina.com

【責任編輯：陳鋼】