超細沸石粉對水泥凈漿結構構筑的影響

劉耀強

摘 ? 要：超細沸石粉是經過天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的細度，火山灰活性高于粉煤灰和礦粉，低于硅灰和偏高嶺土。靜態屈服應力是水泥基材料一個重要的流變參數。靜態屈服應力增長速率經常被用來表征水泥基材料的觸變性/結構構筑，對水泥基材料的穩定性、形狀保持能力和分層澆注非常重要。在本文靜態屈服應力每15min測試一次，持續127min。同時進行了動態屈服應力測試。結果表明摻入超細沸石粉提高了漿體的動態屈服應力、塑性粘度和觸變環面積。在等摻量的情況下，超細沸石粉提升結構構筑的能力低于硅灰和偏高嶺土。

關鍵詞：超細沸石粉 ?結構構筑 ?水泥

中圖分類號：TU528.01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0016-04

Abstract： Superfine zeolite is obtained by grinding natural zeolite， which has higher fineness than cement. The pozzolanic activity of superfine zeolite is higher than that of fly ash and slag， lower than that of silica fume and metakaolin. Static yield stress is an important rheological parameter of cement-based materials. The growth of static yield stress is often used to characterize the structural build-up/thixotropy of cement-based materials， which is crucial for the stability， shape-holding capacity and multi-layer casting. In this paper， static yield stress was measured every 15 min over 127 min. At the same time， dynamic yield stress test was measured. Results showed that the addition of superfine zeolite increases the dynamic yield stress， plastic viscosity and thixotropic area of paste. Under the condition of equal dosage， the ability of superfine zeolite to enhance the structure build up is lower than that of silica fume and metakaolin.

Key Words：Superfine zeolite; Structural build up; Cement

沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，含有高含量的二氧化硅，這為作為混凝土膠凝材料提供可能性。它可以通過采礦[1]或工業廢料通過化學合成[2]獲得。將沸石粉作為礦物摻和料，部分取代水泥可以減少水泥消耗，降低碳排放量。同時沸石的莫氏硬度一般在2-3[3-4]，而粒化高爐渣的莫氏硬度一般在6-7[5]。因此，使用沸石作為粘結劑可以大大節約能源和成本[6]。

超細沸石粉是經過天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的細度，火山灰活性高于粉煤灰和礦粉，低于硅灰和偏高嶺土，但是磨碎沸石可以成為比硅灰或偏高嶺土更經濟、更環保的替代品[6]。Ahari[7]等人從形貌和水化比較了硅灰和偏高嶺土對流變的影響。Baldino[8]等人研究表明人工沸石粉提高結構構筑能力優于石灰石粉，最優摻量為10%。結構構筑是由于新拌漿體的“強度”由于物理或化學作用，隨時間逐漸增長的現象。由于混凝土成分的密度差異，靜置狀態下的新拌混凝土容易發生離析，在重力作用下容易發生流動和變形。較高的結構構筑速率有利于混凝土的穩定性和塑形能力。當新拌混凝土靜置時，由于膠體絮凝和水泥水化作用，顆粒之間會發生相互作用，從而形成結構構筑。因此，水泥漿體可以包裹骨料抵抗重力，防止發生偏析的，從而提高混凝土的形狀保持能力。結構構筑對混凝土的穩定性，滑模攤鋪施工，分層澆筑和3D打印混凝土極為重要[9-16]。故本文對比了超細沸石粉、硅灰和偏高嶺土對水泥凈漿流變性能的影響，探究超細沸石粉對水泥凈漿結構構筑的影響，對比其與硅灰和偏高嶺土之間的差異。

1 ?原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥（PC）采用P·O 42.5安徽海螺水泥;超細沸石粉（Superfine zeolite-SFZ 由寧波嘉和新材料有限公司提供，平均粒徑3μm。偏高嶺土（MK）采用內蒙古超牌科技有限公司提供的K-1300型偏高嶺土，活性指數為120，平均粒徑1μm。硅灰（SF）由山東博肯硅材料有限公司提供，活性指數為115，平均粒徑0.15μm。超細沸石粉、水泥、偏高嶺土和硅灰物理和化學參數見表1。水為咸陽市飲用自來水。

1.2 制備

考慮不同礦物摻合料對減水劑吸附程度的影響，本實驗不加入減水劑，采用水膠比0.5，凈漿試驗配比見表2。使用NJ-106A型水泥凈漿攪拌機攪拌。攪拌方式為：慢攪30s，停30s（刮下鍋內壁和葉片上的粉體），快攪90s，最后慢攪30s結束。試驗溫度保持在25℃。

1.3 流變性能測試-動態測試

采用德國Anton Paar 公司生產的RHEOPLUS QC 型同軸圓筒流變儀測定水泥漿體流變曲線。試樣筒容積為163mL，高為118mm。（同軸圓柱轉子）轉子型號為CC39，直徑為4cm，試樣筒內徑為4.194cm。從水泥與水接觸計時開始，6min開始測試。以100s-1恒定速率預剪切60s，停15s，再以0-100s-1線性增長剪切速率剪切60s，達到100s-1剪切速率時，恒速剪切15s，最后100-0s-1線性下降剪切60s。

1.4 靜態測試

靜態測試從15min開始，以0.01s-1剪切速率持續剪切60s，然后靜置900s。重復第一步的剪切步驟，直至127min結束。由于流變儀剪切應力極限為450Pa，當測試過程中，應力達到極限值時，終止測試。

2 ?結果與討論

2.1 動態測試

動態測試示意圖如圖1所示。采用賓漢姆模型擬合20s-1-80s-1區間下行段數據，上行段與下行段之間的面積稱為觸變環。動態屈服應力、塑性粘度和觸變環面積結果見表3。由表可以看出，摻入超細沸石粉、硅灰和偏高嶺土均提高了漿體的動態屈服應力和塑性粘度[7]，等摻量的情況下，摻入超細沸石粉，增長幅度小于硅灰和偏高嶺土。當超細沸石粉摻量為硅灰和偏高嶺土的二倍時，動態屈服應力和塑性粘度高于硅灰和偏高嶺土。從觸變環的面積變化來看，硅灰最為明顯，偏高嶺土和超細沸石粉次之。同時也說明超細沸石粉也具有提高觸變性的能力，這也與文獻[8]結論相符。

2.2 靜態測試

靜態測試圖像如圖2。由于剪切應力極限值為450Pa，當摻入一定量超細沸石粉、硅灰和偏高嶺土時，存在靜態測試未到127min，測試即終止，測試次數小于8，各種配合比漿體的測試有效次數見表格4。隨著漿體靜置時間越長，靜態屈服應力越大，達到峰值所需時間也越久，這表明漿體流動之前，靜置時間越久，變形越大。

不同配比水泥凈漿靜態屈服應力增長曲線如圖3。可以看出超細沸石粉、硅灰和偏高嶺土對靜態屈服應力影響程度是不同的。靜態屈服應力增長速率對應于結構構筑速率[9]。表4給出了不同配比的增長速率。其中在相同摻量的情況下，硅灰和偏高嶺土結構構筑速率大于超細沸石粉，當超細沸石粉摻量10%時，結構構筑速率均高于摻量為5%的硅灰和偏高嶺土。在跟試驗中得到的靜態屈服應力增長速率與Billberg[10]的試驗結果相似。同時可以看出，在靜態屈服應力測試前1h內，應力圖像增長接近線性增長方式。在1～2.5h內，增長曲線解決指數型增長模式。這說明在前期，水化反應較慢，水化反應誘導期還未結束，靜態屈服應力增長緩慢，接近線性增長。當水化反應變快的時候，靜態屈服應力增長也隨之加快。

2.3 討論

表5列出了結構構筑速率和觸變環面積，并以對照組為參考值進行量化。可以看出摻入超細沸石粉、偏高嶺土和硅灰均提高了結構構筑速率和觸變環面積，這充分說明超細沸石粉可以提高水泥凈漿的觸變性，其性能低于偏高嶺土和硅灰，這可能由于超細沸石粉細度較大，火山灰活性較低的原因。這也說明，將天然沸石粉磨細，可以替代部分水泥，成為礦物摻合料，提高水泥漿體的觸變性，這也為沸石粉的用途，增加沸石粉的用量，減少環境污染和降低碳排量提供了更大的可能性。同時可以看出，隨著粉體材料取代比例的提高，觸變環的增長幅度大于結構構筑速率。在低剪切速率剪切下，漿體破壞程度較小，通過對靜態屈服應力的測試，更加能反應漿體的構筑速率[9]。

3 ?結語

（1）摻入超細沸石粉提高了水泥漿體的動態屈服應力、塑性粘度和觸變環面積，且隨著摻量的提高，增長幅度越大。在相同摻量的情況下，提高程度低于硅灰和偏高嶺土;

（2）摻入超細沸石粉提高了水泥漿體的結構構筑速率，增大了水泥漿體的觸變性，隨著摻量的提高，提升水泥漿體的觸變性能更加明顯。

參考文獻

[1] Tagnithamou A ， Bengougam A . The Use of Glass Powder as Supplementary Cementitious Material[J]. Cement and Concrete Composites， 2010， 32（2）：134-141.

[2] Vai?iukynien? D， Kantautas A， Vaitkevi?ius V， et al. Effects of ultrasonic treatment on zeolite NaA synthesized from by-product silica[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2015（27）：515-521.

[3] L.B. Sand， F.A. Mumpton （Eds.）， Natural Zeolites： Occurrence， Properties， and Use， Proceedings of Zeolite Conference， Tucson， Arizona， USA， Pergamon Press， New York， USA， 1976.

[4] Nagrockiene D， Girskas G. Research into the properties of concrete modified with natural zeolite addition[J]. Construction and Building Materials， 2016（113）：964-969.