高爐礦渣對砂漿流變參數影響的試驗研究及機理分析

邢曉飛, 蘇彩麗

(1.開封大學土木建筑工程學院, 開封 475004; 2.開封市建筑固體廢棄物再生利用技術重點實驗室, 開封 475004;3.開封市海綿城市工程材料技術研究中心, 開封 475004; 4.開封市建筑固體廢棄物再生利用技術重點實驗室, 開封 475004;5.開封市固體廢渣資源化與無害化工程技術研究中心, 開封 475004)

2022年,長沙某小區室內混凝土掉落,樓房變身“千眼”墻,鑒定結果顯示,鋼渣導致混凝土中水泥未完全水化是該工程事故的主要原因,因此,將工業廢渣(粉煤灰、礦渣、鋼渣等)應用于建筑工程中,需要對其使用性能和摻量進行深入研究,才能避免類似事故的出現。

高爐礦渣是冶煉生鐵時從高爐中排出的一種廢渣,是一種易熔混合物。高爐礦渣作為礦物摻合料對砂漿流變參數的影響是材料學的主要研究方法之一[1]。砂漿的稠度和流動度是砂漿工作性能的兩個方面,普通砂漿的稠度較小時,它的流動性較差。砂漿的流變性能主要指標為初始剪切力和黏度系數[2-3]。對砂漿流變參數的研究有多種實驗方法,但隨著新型建筑材料和水泥制品外加劑的發展,傳統的試驗方法產生了一定的局限性,尤其是大流動度砂漿出現后,傳統的試驗方法已不能很好地反映砂漿的流變性能,因此,研究一種更好的適用于高爐礦渣的砂漿流變參數分析方法具有重要的意義。

中國一些學者也對此展開了研究,如汪璽玥[4]采用軟固體測試流變儀等設備對砂漿流變性進行研究,認為高爐礦渣可以有效改善砂漿流變性,并隨著高爐礦渣摻量的增加,砂漿屈服應力和塑性黏度不斷減小,砂漿流變性能越好。曾云輝[5]利用旋轉流變儀對混凝土的流變性進行研究,結果顯示:礦渣隨著混凝土中堿含量的增加,電離出來的陽性離子較多,造成漿體中凝絮狀結構增加,混凝土流變性會隨著降低。王恒等[6]利用博勒飛RST-SST型流變儀對砂漿的流變性和黏聚力進行研究,結果顯示:在較小水膠比情況下,磨細礦渣具有更大的比表面積,在水泥漿中會形成絮狀結構,增加了漿體的內摩擦力,增大了水泥漿屈服應力,降低砂漿的流變性,但會小幅度提高砂漿黏聚力。張倩倩等[7]利用平行板流變儀、同軸旋轉流變儀等設備對漿體的流動性進行研究,結果表明:礦渣等礦物摻合料會使砂漿的固體顆粒數量增大,顆粒濃度增加,其微集料效應所釋放的水不足以潤濕礦渣表面積,漿體流動性減小。

以上實驗采用的流變儀成本相對較高,用流變儀需要砂漿處于穩定的流動狀態,且不能直接得出砂漿的流變參數,需要采用轉換方程進行進一步計算,計算過程相對復雜,計算結果精度不高。

在以上學者研究的基礎上,設計一種新型簡便的L形流變儀來測試砂漿的流變參數,將新拌礦渣水泥砂漿漿體認定為賓漢姆流體,結合力學數值分析,以確定礦渣對砂漿初始剪切力和黏度系數的影響,為砂漿在工程使用具有一定的指導意義。

1 試驗準備和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用的水泥采用新鄉市孟電水泥廠生產的P42.5 R普通硅酸鹽水泥,水泥物理性能指標如表1所示,水泥、礦渣化學組成如表2所示;細集料采用開封當地產的中細砂,細度模數為2.41;水采用飲用自來水;高爐礦渣采用鄭州市某材料公司的磨細礦渣,用振動球磨機磨細至比表面積為 5 736 cm2/g。

表1 水泥物理性能指標

表2 水泥、礦渣化學組成

水膠比是指漿體中水與膠凝材料的質量比,水膠比是砂漿的流變性能的直接影響因素。文獻[8-10]顯示,水膠比多采用0.45～0.55,礦渣或者礦物摻合料雙摻以10%～60%等量取代水泥進行砂漿流動性試驗性能最佳。通過對不同高爐礦渣摻量、不同水膠比下的材料進行試驗砂漿的制作,并進行統一編號。試驗用砂漿配比如表3所示。

表3 試驗用砂漿配比

1.2 試驗儀器

本試驗采用的主要儀器為由內徑2 cm透明玻璃管組成的L形裝置,L形裝置示意圖如圖1所示。該試驗裝置由豎直段和水平段兩部分組成,豎直段高度為50 cm,水平段長度為150 cm。在兩段之間的連接處設置閥門,在水平段下設置有兩個可調節高度的支座(試驗時借助水準尺檢查其水平情況),以保證砂漿在水平段沒有勢差。其他儀器設備有電子天平、量筒、卷尺、秒表、滴管、刮刀等。

圖1 L型裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of L-type device

1.3 試驗步驟和方法

第一步:對試驗儀器進行校正,保證橫平豎直。

第二步:向L形管注入水將管壁進行潤濕,將水排凈后關閉閥門。

第三步:按所設計配合比稱量所需材料,采用人工攪拌方式將水泥砂漿拌合均勻,然后緩慢倒入L形圓管豎直段玻璃管內,直到垂直段試管被裝滿為止。

第四步:迅速打開兩段間的閥門,同時按下秒表,此時砂漿在重力作用下進入水平段,水頭呈非均勻流動,試驗中每5 s記錄水頭位置,直到水平段內水頭位置變化不明顯為止,并記錄下垂直段的砂漿高度。

2 水泥砂漿流變參數計算

2.1 計算方法

砂漿的流變參數主要是初始剪切力和黏度系數,不同組分的砂漿具有不同的初始剪切力和黏度系數,砂漿所表現出的流變特性也會不同,在實際工程應用中砂漿工作性能也會表現不同。新拌水泥砂漿可以近似地看成賓漢姆體[11]。新拌砂漿的基本流變方程為

(1)

式(1)中:τ為剪切應力;τ0為初始剪切力;η為黏度系數;dv/dt為剪切速率。

賓漢姆體流變曲線如圖2所示。由圖2可知,τ<τ0時,砂漿將不會流動,只有τ>τ0時,砂漿才能表現出流體的性質。漿體內部各個組分間的摩擦力和附著力決定了剪切屈服應力τ0的大小,而剪切屈服應力τ0是能夠保持漿體呈現出固體形態時的最大應力。塑性黏度系數η的大小表示砂漿內部結構對漿體流動的阻礙能力,該系數直接影響新拌砂漿流動速度的快慢[12]。

圖2 賓漢姆體流變曲線Fig.2 Bingham rheologic curve

2.2 τ0值表征

在此試驗中,在砂漿最終停止流動時,測量出L形管豎直段內剩余水泥砂漿的高度h0,h0大小由砂漿的τ0來決定的,二者關系為

h0=aτ0+b

(2)

式(2)中:h0為豎管殘留高度,m;a、b為常數,只與試驗條件有關。

本研究中,在試管形狀、內徑不變的情況下,可以用h0來表示參數τ0的大小。

2.3 η值的表征

根據質量守恒定律,流動前和流動后試管內砂漿的總量是不變的[13-14],放開閥門前砂漿總高度H等于流動過程中或者結束后豎直段砂漿高度h與水平段砂漿長度x的和,即

H=h+x

(3)

將式(1)、式(2)代入(3)可得

(4)

根據流體力學假定可知,速度在管壁處大小為0,試管中心處速度最大,由于試管直徑較小,在管壁與管中心線之間的漿體速度可以近似看成為線性分布,即:dv/dy=v/0.01=100v。式(4)可轉化為

100aηv+x+h0-H=0

(5)

式(5)中:v為試驗中所測得砂漿在某時刻沿x軸向的速率,m/s。

式(5)可以改寫為

(6)

求解式(6)中的微分方程為

t=(-100aη)ln(H-h0-x)-c

(7)

由式(7)可知,時間t與ln(H-h0-x)呈線性關系,若以ln(H-h0-x)為橫向坐標,t為縱坐標建立坐標系,求解所得直線與y軸交點為常數-c,直線斜率為100aη,所以該試驗以aη反映砂漿黏度的大小。

3 試驗結果

3.1 礦渣摻量對砂漿水頭位置的影響

本研究主要針對高爐礦渣對水泥砂漿流變性能影響進行試驗,試驗中調整水泥砂漿的水膠比和高爐礦渣摻量,測量新拌砂漿水頭位置的變化。圖3 為砂漿流變實驗中不同水膠比和不同高爐礦渣下測試時間與砂漿水頭位置的關系圖。

圖3 不同水膠比和不同高爐礦渣下測試時間與砂漿水頭位置的關系圖Fig.3 Relationship between test time and mortar head position under different water-binder ratio and different blast furnace slag

由圖3可知,高爐礦渣的摻量不同時,曲線走向一致,初始斜率較大,曲線逐漸變緩。同一測試時間下,隨著礦粉摻量增加,砂漿的流速明顯增大,并且水膠比的增大對砂漿流速的影響起決定作用。

3.2 礦渣摻量對砂漿流速的影響

時間為5 s和10 s時,不同礦渣摻量對砂漿流速的影響試驗結果分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同時間不同礦渣摻量砂漿流速變化Fig.4 Relationship between flow velocity and time when time is 5 second and 10 second

圖5 砂漿h0隨礦渣摻量變化曲線Fig.5 Curves of h0 value with slag content

從圖4可知,在礦渣摻量在10%時,砂漿流動速度有明顯的提高,但在礦渣摻量增大時,砂漿的流動速度會隨著礦渣摻量的增加而減小,當摻量大于20%時,砂漿的流動速度甚至小于同水灰比下無礦物摻合料的漿體流動速度。由此可見,磨細礦渣粉在一定摻量范圍內可以改善砂漿的流動速度,但高摻量反而會降低砂漿的流動性。

3.3 礦渣摻量對砂漿流變參數τ0的影響

本研究中采用垂直管中的砂漿殘留高度h0表征砂漿初始剪切力τ0值大小。試驗結果如圖6所示。

圖6 aη隨礦渣摻量變化曲線Fig.6 Curves of aη value with slag content

圖5表示砂漿停止流動時,垂直管中的砂漿殘留高度的大小,試驗結果顯示,在礦渣摻量在10%時,砂漿的殘留高度h0相比無摻合料砂漿小,但在礦渣摻量超過20%時,h0會有所增大,并之后隨著礦粉摻量的增加顯著增長。h0隨礦渣摻量的基本變化規律為線性關系。

總的來說,當礦渣摻量較小時,砂漿流動速度會隨著礦渣摻量的增加略有增加,砂漿的殘留高度h0會隨著礦渣摻量的增加略有降低,而這一現象在礦渣摻量超過20%以后有所改變,之后隨著礦渣摻量的增加,砂漿的流動速率會明顯降低,砂漿最終殘留高度會明顯增加。h0在礦渣摻量為10%的時候達到最小值。

綜上所述,在礦渣摻量在10%時,砂漿的初始剪切力τ0比無摻合料砂漿略小,但在礦渣摻量超過20%時,τ0會有所增大,并之后隨著礦粉摻量的增加顯著增長。

3.4 礦渣摻量對砂漿流變參數的影響

在此理論基礎上,根據試驗測得的砂漿速率,計算得出礦渣摻量不同時,水泥砂漿的黏度系數aη的大小,該值反映了砂漿流變特征參數黏度系數η。為了進一步得出η值與高爐礦渣摻量的關系,以砂漿的aη為縱坐標,以高爐礦渣摻量比例為橫坐標,得出aη隨高爐礦渣摻量變化曲線如圖6 所示。

由圖6(a)可知,在高爐礦渣摻量在10%時,砂漿的黏度系數η比無摻合料砂漿略小,隨后漿體η隨著礦渣摻量增加而增大。與τ0變化規律相似,η在高爐礦渣摻量為10%時達到最小值。由圖6(b)可知,砂漿的黏度系數η的變化隨著礦渣摻量增加而呈線性變化。

4 機理分析

從試驗結果可知,少量摻入高爐礦渣可以改善砂漿的流變性能,砂漿的流動速度隨高爐礦渣的摻量的增加先增大后降低,砂漿的兩個流變參數η和τ0隨著高爐礦渣摻量的變化而變化,在高爐礦渣摻量在10%時達到最高值;在高爐礦渣摻量在20%以上時,砂漿流變參數隨礦渣摻量的增加呈線性增加。產生此結果的原因分析如下。

一方面,少量摻入高爐礦渣可以改善砂漿的流變性能,因為礦渣微粉在砂漿中的填充效應[15]。砂漿內部結構電鏡掃描結果如圖7所示。水泥粉體顆粒粒徑大部分集中在10～70 μm,在砂漿中出現顆粒堆積的現象,水泥顆粒之間存在較多的空隙,較大的空隙率會導致需水量增加,導致砂漿流動性降低。砂漿中摻入礦粉后,較細的礦粉顆粒就能夠填充于水泥顆粒之間。礦渣的填充效應,使整個膠凝粉體的顆粒分布加寬,產生了“微集料”效用,改善了水泥的顆粒級配,使原有空隙中的水得到釋放,漿體中自由水增加,砂漿的流動性能得以改善。由此可見,砂漿的填充作用和分散作用有利于降低砂漿的初始屈服值和黏度[16]。

圖7 砂漿微觀結構圖Fig.7 Microstructure diagram of mortar

微觀上講,水泥砂漿中的水泥顆粒之間存在斥力和吸力兩種作用,其中吸力以毛細管力為主,其大小與毛細管半徑成反比,與物質的表面張力成正比。水泥顆粒之間的斥力主要表現為電斥力,電斥力的大小與水泥顆粒的電動電位有關。當砂漿中加入少量礦渣時,漿體中自由水增加,水泥顆粒和液相界面的擴散層離子濃度降低,離子擴散增大,導致擴散層的厚度增加,相應的電動電位增加,水泥顆粒之間的電斥力就會增大。同時,自由水增加使粒子水膜厚度變大,水泥顆粒毛細管半徑增大,從而毛細管力減小,吸力降低。由此可見,少量高爐礦渣的加入使新拌砂漿更加容易分散。因此,隨高爐礦渣摻量的增加,砂漿流變性能變好,砂漿的初始屈服值和黏度有所降低。

另一方面,與水泥顆粒相比,高爐礦渣的顆粒粒徑小,總體顆粒較細,且屬于多角形,形狀不規則,與水泥相比之下,高爐礦渣微粉顆粒的比表面積大,表面潤濕需水量大。表面具有吸附作用,具有很高的表面能,表面吸附水量亦大。高爐礦渣微粉的表面吸附作用降低了砂漿的流動度,增大了砂漿的剪切應力τ0和黏度系數η。從這一點來看,礦粉的摻入不利于砂漿的的流動性,結果也證明了這一點。故在砂漿中使用高爐礦渣時,與減水劑配合使用效果更佳。

5 結論

礦渣對砂漿性能影響的研究一直是建筑材料研究的重要課題,基于高爐礦渣對砂漿流變參數的影響進行了相關試驗研究,得出以下結論。

(1)通過試驗及數值分析,證明L形管流變儀在理論上的可行性,簡化了試驗設備,并在L形管幾何尺寸確定的情況下確定砂漿的兩個基本流變參數。在日后的研究中可對模型的基本尺寸進行改進,不斷完善優化模型結果,提高模型使用效果。

(2)少量的摻入礦渣可以改善砂漿流變性能,降低砂漿流變參數τ0和η。礦渣摻入量大于20%時,水泥砂漿流變參數剪切應力τ0和黏度系數η的大小隨礦渣摻量的增加呈線性增大。試驗結果顯示,工程用砂漿中礦渣摻量為10%時,水泥砂漿的流變性能最佳。

(3)基于電鏡掃描法對礦渣水泥砂漿水化產物進行研究。結果顯示,礦渣粉可以填充水泥顆粒之間的空隙,砂漿密實度可以得到進一步提高。高摻量礦渣砂漿使用時,與減水劑配合使用,砂漿流變性能更好。