水泥-白云石粉漿體流變性能研究

肖　佳，吳　婷，何彥琪，田承宇，徐　勇

(1.中南大學土木工程學院，長沙　410075；2.中國水利水電第八工程局有限公司科研設計院，長沙　410004)

?

水泥-白云石粉漿體流變性能研究

肖佳1，吳婷1，何彥琪1，田承宇2，徐勇2

(1.中南大學土木工程學院，長沙410075；2.中國水利水電第八工程局有限公司科研設計院，長沙410004)

試驗采用旋轉黏度計測定了水泥-白云石粉漿體剪切應力和塑性黏度隨剪切速率變化的規律，對所測漿體τ-γ曲線采用Bingham流體模型進行擬合，得到漿體屈服應力和塑性黏度，采用Power Law流體模型擬合出漿體的流變指數，并用觸變環面積表征漿體的觸變性。研究結果表明：在0～30%摻量范圍內，隨白云石粉摻量的增大，水泥漿體的屈服應力、塑性黏度和觸變性均逐漸增加；白云石粉細度對漿體屈服應力和塑性黏度影響較小。

流變性能， 白云石粉， 屈服應力， 塑性黏度

1　引　言

碳酸鹽巖約占地球沉積地殼的15%，分布廣泛且易于開采，其在建筑工業中用于水泥、石灰、骨料和建筑石材等，其衍生物可用作玻璃原料、耐火材料和填料等，碳酸鹽巖在建筑業中的應用具有非常顯著地經濟和環境效益。自然界中純的碳酸鹽巖較少，多數以方解石、白云石和非碳酸鹽類礦物共生的形式存在，有研究將此類礦物按其所含方解石、白云石和非碳酸鹽成分的比例進行了分類，其中石灰石和白云石是碳酸鹽巖的主要成分，白云石含量為50%～90%，稱之為鈣質白云石，超過90%稱之為白云石[1,2]。在工程應用方面，我國對石灰石粉研究較廣而白云石粉的研究則較少。白云石儲量巨大，且其為石灰石的主要摻雜成分，因此研究白云石粉對水泥基材料性能的影響對拓寬碳酸鹽巖在水泥基材料中的應用具有重要的現實意義。而研究其對水泥漿體流變性能的影響是白云石粉工程運用的首要步驟，通過測定水泥-白云石粉漿體塑性黏度、屈服應力、流變指數和觸變性等流變參數的變化，可確定白云石粉的合理用量，指導水泥混凝土的配合比設計。研究[3]指出漿體屈服應力主要由顆粒群密度控制，其與顆粒群密度的關系可用一種滲流關系來描述，漿體塑性黏度與粒子密度、比表面積之間存在一種近似的線性關系。石粉的摻入使新拌漿體的屈服應力和塑性黏度降低，漿體的流變性能增強，且石粉細度越大增強效果越明顯[4]。研究[5]認為較細的顆粒填充于水泥顆粒間，漿體中自由水增多，復合漿體形成良好級配，流變性能增強。另有研究[6]表明，石粉摻入使漿體剪切變稀的效果降低，即石粉降低了水泥漿體的流變性能，因石粉的填充、顆粒形貌和體積效應為主要因素，較細的石粉顆粒填充于水泥顆粒之間，顆粒之間的距離減小，附著力和摩擦阻力增大，使得屈服應力，塑性黏度變大；另有觀點[7,8]認為，填充效應是次要因素，主要因素是細粉顆粒表面的物理化學性能，其中ζ電位對漿體流變性能具有一定的影響。本文通過水泥-白云石粉漿體的屈服應力、塑性黏度和觸變環面積等，研究了白云石粉摻量及細度對于水泥漿體流變性能的影響，以期為白云石粉在工程中的運用提供一定的理論基礎。

2　試　驗

2.1原材料

水泥采用長沙坪塘水泥廠生產的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，其物理性能和化學組成如表1、表2所示。白云石粉產自河北省靈壽縣，密度2.73 g/cm3，勃氏比表面積分別為409 m2/kg、610 m2/kg和812 m2/kg。其礦物組成如表3所示。

表1　水泥的物理性能

表2　水泥的化學成分

表3　白云石粉的礦物組成

2.2試驗方法

流變特性采用由奧地利Anton Paar公司生產的RHEORIAB QC型旋轉黏度計測定。在室溫、相對濕度為70%的條件下，配制水泥凈漿，試驗配合比如表4所示。

表4　水泥-白云石粉凈漿試驗配合比

采用旋轉黏度計測定新拌漿體在各剪切速率下的剪切應力和剪切黏度，得到τ-γ和η-γ曲線。新拌水泥-大理石粉漿體處于懸浮狀態，顆粒間主要以范德華分子引力形成強度較小的凝聚結構，打破這種結構需要一定的外力作用，因此水泥-大理石粉漿體存在一定的屈服應力τ0，且其剪切應力隨剪切速率增大基本呈線性增大趨勢，故新拌水泥漿體的流變性可用 Bingham流體模型τ =τ0+ηγ線性擬合，即可得到漿體屈服應力τ0和塑性黏度η。同時采用Power Law流體模型描述[9]τ-γ曲線，用方程τ = Kγn對τ-γ曲線擬合，即可得到黏度系數K和流變指數n，其中n表征漿體剪切稀化(或稠化)的程度。當n>1時，流體為脹流型流體，即流體在剪切過程中發生了剪切增稠，當n<1時，流體為假塑型流體，即流體在剪切過程中發生了剪切變稀。旋轉黏度計剪切速率由0增大到 200 s-1，然后又由200 s-1降為0過程中形成的封閉的τ-γ曲線，稱之為觸變環，其面積越大漿體觸變性越大，反之亦然。

3　結果與討論

3.1水泥-白云石粉漿體的流變模型

水泥-白云石粉漿體τ-γ曲線如圖1、圖2所示。相同剪切速率下，水泥-白云石粉漿體的剪切應力隨白云石粉摻量的增加逐漸增大；隨白云石粉細度的增大先略有降低后持平。水泥-白云石粉漿體的剪切應力隨著剪切速率的增大而增大，二者基本呈線性關系，其仍屬Bingham流體模型，擬合得到流變參數如表5所示，其漿體黏度系數K隨白云石粉摻量的增大逐漸增大，流變指數n均小于1，變化較小，表明黏度隨剪切速率增大而降低，流體為假塑型流體，由于流變指數變化不大，剪切變稀的程度相近。

圖1　白云石粉摻量對水泥漿體γ-τ曲線的影響Fig.1　Effect of the content of ground dolomite on γ-τ of the cement past

圖2　白云石粉細度對水泥漿體γ-τ曲線的影響Fig.2　Effect of the fineness of ground dolomite on γ-τ of the cement past

Sampleτ0/Paη/(Pa·s)CorrelativecoefficientK/Pa·snCorrelativecoefficientP030.300.250.98811.040.360.975PDI-531.830.260.98712.330.350.969PDI-1033.520.280.99212.790.360.966PDI-2039.810.330.98914.560.360.972PDI-3043.330.400.99115.910.380.970PDII-1033.750.270.99112.530.360.968PDIII-1034.140.270.99112.870.350968

水泥-白云石粉漿體τ-η曲線如圖3、圖4所示。隨著剪切速率的提高，水泥-白云石粉漿體的黏度均呈現先顯著降低后逐漸穩定的規律，因此其為假塑性流體。剪切速率在0～65 s-1時，剪切黏度顯著降低，在65～200 s-1時，剪切黏度趨于平穩。在相同剪切速率下，水泥-白云石粉漿體的剪切黏度隨著石粉摻量的增加而增加；隨著白云石粉細度的增加，水泥-白云石粉漿體的黏度先下降后平穩，當石粉比表面積分別為610和812 m2/kg時，其黏度大致相等

圖3　白云石粉摻量對水泥漿體γ-η曲線的影響Fig.3　Effect of the content of ground dolomite on γ-η of the cement pastes

圖4　白云石粉細度對水泥漿體γ-η曲線的影響Fig.4　Effect of the fineness of ground dolomite on γ-η of the cement pastes

3.2白云石粉對水泥漿體屈服應力、塑性黏度和流變指數的影響

圖5　白云石粉摻量對水泥漿體屈服應力的影響Fig.5　Effect of the content of ground dolomite on yielding stress of the cement pastes

圖6　白云石粉細度對水泥漿體屈服應力的影響Fig.6　Effect of the fineness of ground dolomite on yielding stress of the cement pastes

圖5和圖6所示為白云石粉對水泥漿體屈服應力的影響規律。水泥-白云石粉漿體的屈服應力隨著白云石粉摻量的增加逐漸增大，白云石粉摻量為5%、10%、20%、30%時，分別比不摻白云石粉漿體的屈服應力增大了8.3%、13.1%，16.9%、26.4%，近似呈線性增大的趨勢，屈服應力τ和白云石粉摻量q和二者的擬合關系為τ=30.14+0.45q。隨白云石粉細度的增大，水泥-白云石粉漿體屈服應力基本不變，白云石粉細度對水泥漿體屈服應力的影響較小。

圖5和圖6所示為白云石粉對水泥漿體屈服應力的影響規律。水泥-白云石粉漿體的屈服應力隨著白云石粉摻量的增加逐漸增大，白云石粉摻量為5%、10%、20%、30%時，分別比不摻白云石粉漿體的屈服應力增大了8.3%、13.1%，16.9%、26.4%，近似呈線性增大的趨勢，屈服應力τ和白云石粉摻量q和二者的擬合關系為τ=30.14+0.45q。隨白云石粉細度的增大，水泥-白云石粉漿體屈服應力基本不變，白云石粉細度對水泥漿體屈服應力的影響較小。

圖7和圖8所示為白云石粉對水泥漿體屈服應力的影響規律。水泥-白云石粉漿體的塑性黏度隨白云石粉摻量的增加近似呈線性增大的趨勢，塑性黏度η和白云石粉摻量q和二者的線性擬合關系為η=0.241+0.049q。隨白云石粉細度的增大，水泥-白云石粉漿體塑性黏度基本不變，白云石粉細度對水泥漿體塑性黏度的影響較小。

圖7　白云石粉摻量對水泥漿體塑性黏度的影響Fig.7　Effect of the content of ground dolomite on plastic viscosity of the cement pastes

圖8　白云石粉細度對水泥漿體塑性黏度的影響Fig.8　Effect of the fineness of ground dolomite on plastic viscosity of the cement pastes

3.3白云石粉對水泥漿體觸變性的影響

觸變性是指流體在外力作用下，流動性暫時增加，去除外力后，緩慢復原的可逆性能。由圖9知，隨著白云石粉摻量的增加，水泥-白云石粉漿體的觸變環面積逐漸增大，觸變性逐漸增強。

圖9　水泥-白云石粉漿體的觸變性Fig.9　The thixotropy of the cement-ground dolomite pastes

3.4機理分析

礦物摻合料對水泥漿體流變性能的影響在于其漿體粒子間相互作用力的改變，即運動粒子間摩擦力的變化，比表面積較大的粉體由于其表面能較大，吸附水的能力增強，加之潤濕需水量增大，漿體屈服應力和塑性黏度增大[7]。由于水泥與白云石粉DI的細度接近，摻入DI不會較大改變水泥漿體顆粒分布，因此填充效應較弱，顆粒間距離變化較小，由此對漿體流變特性的影響可忽略。摻入白云石粉DI使漿體屈服應力和塑性黏度增大的主要原因是白云石粉的體積效應，同質量下石粉的體積比水泥的大12%，因此等質量替代水泥使得漿體需水量顯著增大，自由水的減少導致運動粒子間摩擦力增大，屈服應力和塑性黏度隨之增大。隨白云石粉細度增大，除體積效應外填充效應的影響逐漸增大。

研究[9,10]顯示所摻礦物摻合料顆粒表面性能同樣是影響漿體流變性能的重要因素，膠體粒子間的斥力與ζ2成正比，粒子間的斥力f=ζ2/K(1/K為擴散層厚度)，作為巖石粉磨而成的白云石粉ζ電位低于水泥，因此白云石粉顆粒間的斥力作用小于水泥顆粒間的斥力，白云石粉顆粒間或與水泥顆粒間更易形成黏聚結構，從而導致了屈服應力和塑性黏度的增大。

4　結　論

(1)在0～30%摻量范圍內，水泥-白云石粉漿體屈服應力隨白云石粉摻量的增加線性增大，屈服應力τ和摻量q之間的擬合關系為τ=30.14+0.45q，白云石粉對水泥漿體具有明顯的增稠效應；

(2)在0～30%摻量范圍內，水泥-白云石粉漿體的塑性黏度隨其摻量的增加而線性增大，塑性黏度η和摻量q之間的擬合關系為η=0.241+0.049q，白云石粉使水泥漿體穩定性增強；

(3)水泥-白云石粉漿體黏度系數K隨白云石粉摻量的增加逐漸增大，流變指數n變化較小且均小于1，漿體為假塑型流體，剪切變稀的程度相近，其觸變性隨白云石粉摻量增大而逐漸增大；

(4)白云石粉的細度對水泥-白云石粉漿體的屈服應力、塑性黏度和流變指數影響較小。

[1] Robert C.Freas,John S.Hayden,Charles A. Pryor Jr. Industrial Minerals & Rocks[M].Society for Mining Metallurgy,2006,581-597.

[2] Korjakins A,Sahmenk G,Baāre D,et al.Application a dolomite waste as filler in expanded clay lightweight concrete[J].10thInternationalConferenceModernBuildingMaterials,StructuresandTechniques,2010,156-161.

[3] Ferraris C F,Obla K H,Hill R.The influence of mineral admixtures on the rheology of cement paste and concrete[J].Cement&ConcreteResearch, 2001, 31(2):245-255

[4] Geso lu M,Güneyisi E,Kocaba M E,et al.Fresh and hardened characteristics of self compacting concretes made with combined use of marble powder, limestone filler, and fly ash[J].Construction&BuildingMaterials,2012,37(12):160-170

[5] 王曉慶,王珊珊,馮竟竟,等.磨細粉煤灰對水泥基復合膠凝材料流變性能及硬化性能的影響[J].硅酸鹽通報,2015,34(6):1554-1558.

[6] N Mikanovic,Jolicoeur C.Influence of superplasticizers on the rheology and stability of limestone and cement pastes[J].CementandConcreteResearch,2008,38(7):907-919.

[7] 張翠,王智,王林龍,等.水泥漿體體系ζ電位探究[J].硅酸鹽通報,2013,32(7):1264-1268.

[8] Gunnelius K R,Lundin T C,Rosenholm J B.Rheological characterization of cement pastes with functional filler particles[J].CementandConcreteResearch,2014,(65):1-7.

[9] 黃大能.流變學在水泥混凝土研究中的應用[J].混凝土世界,2011,(9):21-26．

[10] Prakash Nanthagopalan,Michael Haist.Investigation on the influence of granular packing on the flow properties of cementitious suspensions[J].Cement&ConcreteComposites,2008,30:763-768.

Rheological Properties of Cement-ground Dolomite

XIAOJia1,WUTing1,HEYan-qi1,TIANCheng-yu2,XUYong2

(1.School of Civil Engineering, Central South University,Changsha 410075,China;2.Research and Design Institute of China Hydropower Engineering Bureau 8 Co.Ltd,Changsha 410004,China)

The law of shear stress and shear viscosity of cement-ground dolomite pastes with different shear rate with rotary viscosity meter were studied in this paper.Yield stress and plastic viscosity of the paste are obtained by by fitting the measured gamma tau slurry curve using Bingham fluid model. Rheological index are obtained using Power fluid model and thixotropy was expressed using thixotropic loop area.The results show that yield stress, plastic viscosity and thixotropy of pastes were gradually increased with the increase of ground dolomite in the range of 0-30%. The fineness of dolomite has little effect on the yield stress and plastic viscosity of the paste.

rheological property;ground dolomite;yielding stress;plastic viscosity

國家自然科學基金項目(51278497)

肖佳(1964-)，女，教授，博士.主要從事高性能混凝土、新型建筑材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)03-0891-06