蔗渣灰摻量對混凝土流變性能的影響研究

摘要：文章以蔗渣灰摻量為控制變量，測試不同蔗渣灰摻量下的混凝土靜態屈服應力、黏度系數和坍落度，探究蔗渣灰混凝土的流變性能變化機理。結果表明：當蔗渣摻量＜9%時對混凝土靜態屈服應力、黏度系數和坍落度的影響均較小，當蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的靜態屈服應力、黏度系數急劇增大，而坍落度急劇減小，因此建議蔗渣灰摻量控制在＜9%；強度等級越高的混凝土流變性能對蔗渣灰摻量越敏感；靜態屈服應力、黏度系數和坍落度之間存在較好的線性關系，實際工程中應根據混凝土的性能需求來控制蔗渣灰的摻量。

關鍵詞：混凝土；蔗渣灰；流變性能

中圖分類號：U414.1" " " "文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.012

文章編號：1673-4874（2024）11-0037-03

引言

甘蔗渣是甘蔗在制糖過程中經壓榨后留下的殘渣，為了充分利用甘蔗的能量，目前大部分甘蔗渣在制糖過程中會被用作制糖的燃料，在該過程中會產生大量的蔗渣灰。直接排放蔗渣灰必然會對自然環境造成不可逆的影響。我國南方地區盛產甘蔗，制糖業發達，蔗渣灰存量較大，因此如何利用蔗渣灰是亟須解決的問題。

目前，國內外部分專家學者已開展了蔗渣灰在建筑材料中的應用研究。陳正等［1-2］研究了蔗渣灰的顆粒特性及摻量對砂漿性能的影響，結果表明：顆粒級配分布較好的蔗渣灰對提升砂漿的強度具有積極的作用，適當摻量的蔗渣灰也可提升砂漿強度。莫耀鴻等［3］研究了由礦粉和蔗渣灰組成的礦物摻和料摻量對海砂砂漿腐蝕行為的影響，結果表明：在礦粉和蔗渣灰摻量均為15%時，砂漿中鋼筋的腐蝕速率大幅降低，對砂漿鋼筋組合結構的耐久性有積極的影響。黃萍等［4-7］的研究表明：適宜劑量的蔗渣灰替代部分水泥可改善混凝土的空隙結構，提升混凝土的強度，改善混凝土的耐久性能。

綜上所述，目前已有部分關于蔗渣灰對砂漿及混凝土力學性能和耐久性能的影響研究，然而關于蔗渣灰對混凝土流變性能的研究仍然較少。混凝土的流變性能影響混凝土拌和的難易程度，直接決定混凝土的施工工藝，影響硬化后混凝土的孔隙結構，最終對混凝土成型后的外觀質量、力學性能和耐久性能造成影響，因此開展蔗渣灰混凝土流變性能研究非常有必要。

1試驗

1.1原材料

水泥：P·Ⅰ 52.5級水泥，表觀密度為3 125 kg/m3，比表面積為334 m2/kg，氯離子含量為0.013%，不溶物含量為0.90%，氯化鎂含量為4.03%，燒失量為2.58%，三氧化硫含量為2.69%。水泥熟料的主要組成如表1所示。

減水劑：聚羧酸高性能減水劑，減水率為28%，凝結時間差為135 min，泌水率比為21%，飽和摻量為1.0%。本研究中的摻量也控制為1.0%。

骨料：細骨料為河砂，細度模數為2.85，含泥量為0.28%；粗骨料母巖為石灰巖碎石，粒徑為10～20 mm，針片狀含量為4.0%。

蔗渣灰：由原始蔗渣灰經煅燒、浮選、研磨、篩分后得到，比表面積為512 m2/kg，其中SiO2含量為68.9%，Al2O3含量為13.4%，Fe2O3含量為8.4%，K2O含量為5.9%，CaO含量為3.3%。

1.2配合比設計

設計水膠比分別為0.49、0.39和0.35的三組混凝土，編號為A、B、C三組，三組混凝土的設計強度等級分別為C30、C40和C50，A、B、C三組混凝土蔗渣灰摻量均分別為0、3%、6%、9%、12%、15%和18%。配合比參數如下頁表2所示。

1.3試驗方法

依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420-2020）對以上各組混凝土的坍落度進行測試，用ICAR流變儀對混凝土的靜態屈服應力τ0和黏度系數μ進行測試，其中靜態屈服應力τ0表示混凝土發生塑性流動時所需的最小應力，而黏度系數μ表示粘稠程度，相同剪切速率下，混凝土的黏度系數μ越大，混凝土的剪切應力越大［8］。測試不同剪切速率下的混凝土剪切應力，繪制剪切應力τ與剪切速率γ關系曲線，斜率即為混凝土的黏度系數μ。

如圖1所示為不同蔗渣灰摻量下的混凝土靜態屈服應力變化曲線。由圖1可知，當蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土的靜態屈服應力影響并不明顯；當蔗渣灰摻量＜6%時，A、B、C三組混凝土的靜態屈服應力隨蔗渣灰摻量呈現小幅度降低的現象；當蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的屈服應力急劇增大，蔗渣灰摻量達18%時，A、B、C三組混凝土的靜態屈服應力分別達到2 254Pa、2 140Pa、2 317Pa，此時混凝土流動性較差，外觀質量較差，插搗密實時間較長。

靜態屈服應力反映了混凝土克服塑性變形的能力，屈服應力由混凝土拌和物中固體顆粒之間的摩擦阻力和吸引力組成。當蔗渣灰摻量較低時，蔗渣灰與水泥顆粒組成的二元體系可以形成很好的嵌擠結構，蔗渣灰顆粒可以較好地填充水泥顆粒之間的空隙，形成很好的互補結構，此時原本用于填充這一部分空隙的水被釋放出來，形成自由水，自由水的含量增加后，混凝土拌和物中的固體顆粒之間的距離也增大，固體顆粒直接接觸產生摩擦阻力的幾率變小，同時固體顆粒之間相互吸引的作用力也變小，因此低摻量的蔗渣灰對降低混凝土的屈服應力具有積極作用。除此之外，煅燒后的蔗渣灰經研磨后，呈顆粒狀結構，此時蔗渣灰在水泥顆粒、細骨料之間發揮“滾珠作用”，降低混合料體系的內摩擦阻力，從而降低混凝土拌和物體系的屈服應力。

混凝土拌和完成后，所有固體顆粒表面均要吸附一定厚度的水膜，吸附水膜量和顆粒的比表面積相關。因蔗渣灰的比表面積為512 m2/kg，而水泥顆粒的比表面積為334 m2/kg，因此在混凝土拌和物體系中，相同質量下的蔗渣灰吸附的水膜質量高于水泥吸附的水膜質量，蔗渣灰對水膜的吸附作用會導致混凝土的靜態屈服應力增大。除此之外，蔗渣灰內部存在部分碳，這些碳對減水劑具有吸附作用，能使混合料體系的有效減水劑含量降低，減水劑對水泥顆粒絮凝團具有分散作用，當蔗渣灰摻量較高時，蔗渣灰吸附的減水劑量較大，導致有效減水劑含量低于飽和摻量，水泥-蔗渣灰二元體系的絮凝團數量較多，因此蔗渣灰對減水劑的吸附作用也會導致混凝土的靜態屈服應力增大。此時，蔗渣灰對水泥顆粒空隙的填充作用和對顆粒的“滾珠”作用對降低混凝土屈服應力具有積極作用；同時蔗渣灰對水膜和減水劑的吸附對降低混凝土屈服應力具有逆向作用，當蔗渣灰摻量＞9%時，蔗渣灰對水膜和減水劑的吸附作用相較于對固體顆粒的填充作用和“滾珠”作用更為顯著。此時，混凝土的屈服應力隨蔗渣灰摻量的增加呈現遞增的規律。

如圖2所示，當蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土對混凝土黏度系數的影響較小，A組混凝土的黏度系數維持在30～40Pa·s，B組混凝土的黏度系數＜25Pa·s，C組混凝土的黏度系數＜20Pa·s；當蔗渣灰＞9%時，混凝土的黏度系數隨蔗渣灰摻量的增加呈現遞增的規律；當蔗渣灰摻量達到18%時，A組、B組和C組混凝土的黏度系數均＞100Pa·s，此時混凝土粘稠程度較高，拌和較為困難。當蔗渣灰摻量＜18%，且A組、B組和C組混凝土的蔗渣灰摻量相同時，A組的黏度系數大于B組，B組的黏度系數大于C組。

混凝土的黏度系數和內部砂漿的黏度系數相關，砂漿的黏度和內部包含的水泥漿黏度相關，水泥漿的黏度由水泥顆粒之間的距離決定。蔗渣灰可以填充水泥顆粒之間的空隙，使原本用于填充這部分空隙的水被釋放出來，釋放出來的水增大了水泥顆粒之間的距離，對水泥顆粒具有潤滑作用，可降低水泥漿的黏度系數；蔗渣灰對減水劑具有吸附作用，使水泥-蔗渣灰二元體系的絮凝團數量增多，絮凝團中包裹的水不能釋放出來，水泥漿中的有效水量降低，固體顆粒之間的距離增大，因此蔗渣灰對減水劑的吸附作用會增大混凝土的黏度系數。

當蔗渣灰摻量＜9%時，蔗渣灰填充作用、對減水劑的吸附作用對黏度系數的影響相當，因此蔗渣灰摻量對混凝土黏度系數的影響不大。當蔗渣灰摻量＞9%時，蔗渣灰吸附減水劑對黏度系數的影響大于填充作用對黏度系數的影響，因此水泥漿的黏度系數增大，最終導致混凝土拌和物體系的黏度系數增大。

如圖3所示，當蔗渣灰摻量＜9%時，混凝土的坍落度隨蔗渣灰摻量增加呈現小幅度增加的趨勢，當蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土坍落度隨蔗渣灰摻量增大急劇下降。不摻蔗渣灰時，A組、B組和C組混凝土的坍落度分別為178 mm、214 mm和255 mm；當蔗渣灰摻量達18%時，A組、B組和C組混凝土的坍落度分別為98 mm、86 mm和84 mm，此時A組、B組和C組混凝土相較于不摻蔗渣灰的混凝土坍落度分別降低50%、60%、67%，可見強度等級較高的混凝土流動性能對蔗渣灰摻量更為敏感。

A組和B組混凝土中，當蔗渣灰摻量＞12%時，混凝土拌和物的棍度等級為“中”，當蔗渣灰摻量＜12%時，混凝土拌和物的棍度等級為“上”；對于C組混凝土，當蔗渣灰摻量＞15%時，混凝土拌和物的棍度等級為“中”，當蔗渣灰摻量＜15%時，混凝土拌和物的棍度等級為“上”。

由圖1～3的線形規律可知，混凝土的靜態屈服應力和坍落度、黏度系數和坍落度之間存在相關關系，可對其進行線性擬合。

靜態屈服應力和坍落度之間的擬合關系式如式（1）所示：

y=-9.8x+2 493（R2=0.91）（1）

黏度系數和坍落度之間的擬合關系式如式（2）所示：

y=-0.57x+154.3（R2=0.86）（2）

靜態屈服應力和坍落度的相關系數R2=0.91，黏度系數和坍落度的相關系數R2=0.86，相關性均較高。見圖4、圖5。

混凝土的流變性能和施工性能密切相關，當混凝土的屈服應力和黏度適當時，混凝土展現出良好的流動性、可塑性、穩定性和易密性，此時的混凝土易于施工，可泵性較好，成型后外觀質量較好。當混凝土的屈服應力和黏度系數較低時，混凝土易離析，當混凝土的屈服應力和黏度系數較高時，混凝土的施工性能很差，偏高和偏低均會導致混凝土成型后外觀質量差，孔隙密布，力學性能和耐久性能受到威脅。因此蔗渣灰在混凝土工程中進行應用時，應根據混凝土的性能要求來控制蔗渣灰的摻量。

3結語

（1）當蔗渣摻量＜9%時，蔗渣灰摻量對混凝土的靜態屈服應力、黏度系數和坍落度的影響均較小，當蔗渣灰摻量＞9%時，混凝土的靜態屈服應力、黏度系數急劇增大，而坍落度急劇減小，建議蔗渣灰摻量在控制在＜9%。

（2）強度等級越高的混凝土流變性能對蔗渣灰摻量越敏感。

（3）靜態屈服應力、黏度系數和坍落度之間存在較好的線性關系，實際工程中應根據混凝土的性能需求來控制蔗渣灰的摻量。

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作者簡介：丘岳培（1991—），工程師，主要從事高速公路工程項目管理工作。

收稿日期：2024-05-16