博勒飞流变仪测试机制砂石粉含量对高强水泥砂浆流变学性能的影响

摘 要： 采用 Brookfield 流变仪测试机制砂中石粉含量对高强机制砂砂浆流变性能的影响，并结合相应机制砂混凝土工作性能的测试，探讨了砂浆流变学参数与混凝土坍落度和扩展度的关系。试验结果表明：当机制砂中石粉含量低于 5%时，石粉含量变化对砂浆工作性无不利影响；但当石粉含量大于 5%时，随机制砂中石粉含量的提高，砂浆的塑性黏度和屈服应力增大，显著劣化砂浆的工作性能。当石粉等质量取代水泥作矿物掺合料时，适量的石粉可以改善砂浆的流变性能。试验结果还表明：机制砂砂浆的流变学参数与混凝土工作性能测试结果变化趋势具有较强的相关性，可以指导机制砂混凝土的组成设计。
关键词： 机制砂；石粉；流变学；工作性；砂浆
中图分类号： TU528.041 文献标志码： A 文章编号： 1002-3550（2014）06-0118-03
 
0 引言
随着我国基础建设的发展和对环境保护的重视，我国不少地区天然砂的资源匮乏，已不能满足工程需要，使用机制砂配制混凝土将会成为今后的发展趋势。相比于河砂，机制砂颗粒表面粗糙、尖锐多棱角，细度模数较大，级配不良，堆积空隙率高并且含有大量的石粉，在配制混凝土时会造成需水量增加，粗糙的表面和机械咬合会增加混凝土流动的阻力，机制砂级配中间颗粒较少，使得配制的混凝土易离析泌水 [1] 。
 
制砂过程中含有大量的石粉，对于混凝土的工作性而言，石粉在存在可以弥补机制砂混凝土浆体不足的缺陷，减少机制砂和碎石之间的摩擦，改善拌合物的和易性，这是石粉的正作用，机制砂石粉含量的增加必然会导致包裹其水的用量增加，增加混凝土的黏滞性，正负作用的效果取决于粉体的用量及水胶比，机制砂必然存在临界石粉含量保证混凝土有较好的工作性 [2] 。
 
对于 C80 级机制砂混凝土，我国已有少量的工程应用 [3-5] ，在施工时普遍存在黏性大、混凝土与泵送管的剪切阻力大的特点。在评价混凝土工作性时常采用坍落度和扩展度的方法，扩展度在一定范围内可以反映混凝土的黏度，但对于 C80 级混凝土一般通过搅拌时工作人员的经验来判断，而使用砂浆的流变学试验可以定量的描述砂浆的黏度，粗骨料对浆体的流动性能影响很大，试验会产生很大的离散，而砂浆可以认为是一种细集料混凝土，砂浆各组分对其屈服应力和塑性黏度的影响与它们对新拌混凝土屈服应力和塑性黏度的影响相似 [6] ，所以本试验采用成功配制 C80 机制砂混凝土相同配合比的砂浆进行流变学试验。
 
水泥砂浆的流变性，作为一次近似常用 Bingham 模型来描述。其流变方程为：  
当 τ<τ 0 时，没有流动发生，只有弹性变形，是一种固体；只有 τ>τ 0 时，它才发生黏性流动，具有流体的性质。屈服应力 τ 0 是由浆体内各颗粒之间的附着力和摩擦力产生的，是阻止浆体塑性变形的最大应力。而塑性黏度η 则是水泥浆体内部结构阻碍流动的一种性能，反映了水泥浆体体系变形的速度。因此屈服应力和塑性黏度值与浆体体系内颗粒的形状、粗细、粒径分布及比表面积等因素有关。如果把流变特征引入到工作性好坏的标志之中，屈服值越小，代表可塑性越好，当混凝土需要较高的稳定性的时候则相反，屈服值跟混凝土的坍落度有一定的关系；塑性黏度则代表混凝土的流动性和黏性以及易密性 [7] 。
 
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
华新 P·O 52.5 级水泥；岳阳河砂，细度模数 2.5，属于II 区中砂；福冈石灰岩机制砂（水洗至石粉含量为 3%）；福冈风选石粉，粒径小于 75 μm；武钢矿渣粉，比表面积为552 m 2 /kg；埃肯硅粉，比表面积为 18 000 m 2 /kg；武汉阳逻电厂生产的 I 级粉煤灰，比表面积为 444 m 2 /kg；苏州弗克高效外加剂与格雷斯外加剂复掺，减水率 30%。水泥的主要性质与机制砂的筛分曲线分别见表 1、图 1。
 
1.2 试验方法
（1）流变性能测试。水泥砂浆的流变性能用美国 Brook-field 公司生产的 R/S-SST 流变仪检测。采用桨式转子，转子型号为 V40-20 型。选择剪切速度从 0~150（1/S）范围内变化，每 3 s 变化一次剪切速度，连续检测 5 min 内浆体的剪切应力与黏度的变化。测试在在（20±2）℃下进行。砂浆按 GB/T 17671—1999 的制备方法进行制备，然后采用R/S-SST 型旋转黏度计测定浆体在各剪切速率下的剪切应力值，并利用最小二乘法进行拟合，得到流变方程及相应的屈服应力、塑性黏度值。
 
（2）混凝土工作性。按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。混凝土的坍落度与坍落扩展度试验采用 JG 3021—1994 规定的混凝土坍落度仪。
 
2 结果与分析
为了探寻砂浆和混凝土之间流变性能的相关性，试验采用了 C80 机制砂混凝土中的砂浆配合比，固定外加剂的掺量，基础配合比为水∶胶凝材料∶外加剂∶机制砂 =0.25∶1∶0.009∶1.2，胶凝材料配合比为水泥∶矿粉∶粉煤灰∶硅粉 =0.52∶0.25∶0.15∶0.08。采用外加石粉的方式调节机制砂中的石粉含量。
 
2.1 机制砂中石粉含量对砂浆流变性能的影响混凝土是一个堆积体系，当体系各粒径比例合适的时候，混凝土的流变性能会达到最优，使得混凝土的工作性能达到最佳。对于机制砂混凝土而言，由于机制砂的特殊性质，石粉可以填充一部分大颗粒产生的空隙，弥补机制砂级配的不足，改善砂浆的和易性。试验对比研究了不同石粉含量的机制砂砂浆的流变性能，并与河砂砂浆进行了比较。
 
从表 2 的试验结果可以看出，当石粉含量为 3%~5%时，机制砂砂浆的塑性黏度与屈服应力等流变学参数基本一致，由于整体石粉的含量较少，石粉含量的增加并没有改变砂浆的工作性。当机制砂中石粉含量为大于 7%时，机制砂砂浆的流变性能开始出现较为明显的变化，塑性黏度和屈服应力开始明显增大，如 10%的石粉含量比 5%塑性黏度增加 1.8 倍，屈服应力增加 14.5%。对于高强机制砂砂浆，其水胶比较低，胶凝材料的用量较高，砂浆本身的黏度大。从流变学参数看，当石粉含量从 3%提高到 5%时，砂浆的塑性黏度基本没有变化，但屈服应力甚至还略有降低，石粉含量的提高，对砂浆有一定的改善作用，但这种改善作用由于较高的胶凝材料用量而显得作用不甚明显。但当石粉含量大于 5%，达到 7%、10%时，由于石粉含量的增加，需水量增加，导致砂浆中的自由水含量进一步减小，塑性黏度和屈服应力大幅提高，使机制砂砂浆的流变性能降低。对于高强机制砂砂浆（或 C80 机制砂混凝土），当石粉含量小于 5%时，石粉可在一定程度上改善砂浆的工作性能，石粉的正作用大于负作用；而高于 5%，石粉含量的提高致使砂浆工作性能出现劣化趋势，负作用大于正作用，即可认为对于高强砂浆（或 C80 混凝土而言），最佳的石粉含量为 5%。
 
2.2 石粉取代胶凝材料对高强砂浆流变性能的影响
机制砂中石粉细度接近于水泥的细度，为了废物利用，已有研究利用机制砂中石粉少量替代水泥，作为混凝土的胶凝材料。为了研究机制砂中石粉对砂浆流变性能的影响，以石粉等质量取代部分水泥、矿粉和粉煤灰，测试砂浆的屈服应力与塑性黏度。试验配合比特点与结果见表 3。

 
从表 3 的试验结果可以看出，石粉取代水泥配制的砂浆与基准砂浆相比，塑性黏度和屈服应力都有所下降，由于石粉与水泥相比吸水量低，粉体的用量不变，相当于增加了水胶比，浆体的屈服应力和塑性黏度均下降；与基准砂浆相比，石粉取代矿粉后，砂浆的塑性黏度和屈服应力也有所下降，主要原因是粒度较大的石粉取代部分粒度较小的矿粉使堆积体系颗粒级配得到优化，浆体的塑性黏度与屈服应力均下降；与基准砂浆相比，石粉取代粉煤灰后，砂浆的塑性黏度和屈服应力基本一致，取代量逐步增加塑性黏度增大，但屈服应力基本不变，表明石粉与粉煤灰在砂浆可塑性方面的表现基本一致，由于石粉的需水量和颗粒级配的原因使得黏度增大。因此，通过上述对比试验研究可以认为，在保证强度的情况下可以采用固定水胶比及粉体材料总量，通过优化各粉体的颗粒级配使得浆体形成最佳堆积体系，使用石粉取代胶凝材料（相当于增加机制砂中石粉含量）的方法保证砂浆的工作性。
 
2.3 混凝土与砂浆流变学相关性的探讨
机制砂中石粉含量变化显著影响高强机制砂砂浆的流变性能，但砂浆中的变化规律不一定能完全反映混凝土工作性能的变化规律，为了进一步揭示石粉对高强机制砂混凝土工作性能的影响以及高强砂浆流变学参数变化规律与混凝土工作性能变化规律的关系，本节结合相应高强机制砂混凝土坍落度与坍落扩展度的测试，分析其与砂浆流变学参数的关系。
 
表 4 为砂浆相应机制砂混凝土坍落度与扩展度的测试结果。从表 4 结果可以看出，C1、C5 坍落度和扩展度基本一致，但从实际拌制的过程中可以发现河砂混凝土的流动性能要好于机制砂混凝土，并且拌合物黏性小，说明在大坍落度和扩展度的情况下，使用这两个指标很难判定混凝土的流动性能，在砂浆流变学试验中 C1 的塑性黏度要明显高于 C5，表明机制砂砂浆的黏度要明显高于河砂砂浆；随着机制砂中石粉含量的增加，混凝土的坍落度和扩展度均下降，屈服应力和塑性黏度上升，表明砂浆的流变学参数和混凝土坍落度扩展度的试验有一定的趋势相关性。但当混凝土的原材料体系发生变化时，由于混凝土的组成以及颗粒之间的相互作用关系比砂浆更加复杂，使砂浆流变学参数与混凝土坍落度测试结果的相关性变差。
 
3 结论
（1）对于高强机制砂砂浆而言，当石粉含量低于 5%时，随着石粉含量增加，高强砂浆的塑性黏度与屈服应力变化不明显；当石粉含量大于 5%时，随着石粉含量的提高，机制砂砂浆的塑性黏度与屈服应力大幅提高。
（2）当机制砂中石粉等质量取代水泥作矿物掺合料时，适量的石粉可以降低高强砂浆的屈服应力与塑性黏度，在一定程度上改善高强砂浆的和易性。
（3）当砂浆与混凝土原材料一致性较强时，砂浆的流变学参数与混凝土工作性测试结果变化趋势有较强的相关性，且流变学参数比坍落度和扩展度更加敏感。
 
参考文献：
[1] 王子明.国内外机制砂和机制砂高强混凝土现状及发展[C].中国硅酸盐学会水泥分会首届学术年会论文集，2009（8）.
[2] 王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2008（4）.
[3] 高育欣.C80 机制砂高强混凝土的研制及工程应用[J].混凝土，2011（9）：99-101.
[4] 江均赞，杨锋杰.C80 高强高性能混凝土技术特点及工程应用[J].广东土木与建筑，2012（3）：53-55.
[5] 高育欣，徐国栋，陈景等.C80 高强高流态机制砂混凝土在成都群光大陆广场的应用混凝土低碳技术与高性能混凝土[C]//混凝土低碳技术国际学术研讨会暨第九届全国高性能混凝土学术研讨会论文选编，2010（11）.
[6] 曾远宏.水泥砂浆的流变性能研究和流变参数预测 [D].重庆：重庆大学，2007（4）.
[7] 徐定华，徐敏.混凝土材料学概论[M].北京：中国标准出版社，2002.