吕利华 闫 旭

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

矿物掺合料对水泥胶浆流变性能的影响★

吕利华 闫 旭

(东北林业大学土木工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

对水泥胶浆流变性进行了研究，通过改变矿物掺合料的品种及拌入量，对粘度进行了试验，分析了胶浆粘度的变化情况，结果表明：矿物掺合料对水泥胶浆流变性影响显著，可调节胶浆流变性，粉煤灰、矿粉增大胶浆流变性，硅粉则相反。

矿物掺合料，粘度，流变性，旋转粘度计，水泥胶浆

水泥胶浆的流变性指的是在流变学的基础上研究水泥胶浆的粘性、塑性、弹性随时间演变的规律，是影响混凝土工作性能的一个重要因素。影响水泥胶浆流变性的因素主要有水泥熟料本身的固有属性(简称为内部因素)、外界环境(简称为外界因素)。内部因素主要包含：水泥熟料及掺合料的细度、成分组成、品种、掺加量、水化温度、水化时间、水灰比等；外界因素主要包含：试验仪器、外界温度、湿度、接触面积等。本文通过采用旋转粘度计对不同掺合料影响水泥胶浆流变性的研究，得到不同的净浆旋转粘稠数据，基于E.C.Bingham水泥流变模型，分析掺合料对水泥净浆稠度的影响情况，旨在对试验室的配合比设计有指导意义。

1 试验简介

1.1 理论基础

1.2 试验材料和仪器

采用天鹅牌P.O42.5水泥；Ⅱ级F类粉煤灰；矿粉；SF93型硅粉；普通自来水；数字式Brookfield旋转粘度计，21号转子。

1.3 试验方案

基准组试验过程见图1，在(60±2)s时读数。

试验组为不同组成成分以及代替比例等质量代替水泥，其余试验过程如基准组，试验组设计方案见表1。

2 试验现象及结果

2.1 试验现象及方案

分别单独掺入粉煤灰和矿粉，水泥胶浆的流变性较基准组更好，但是掺入矿粉过量的情况下，容易发生泌水现象；同时掺入粉煤灰、矿渣，在矿渣掺量较多的情况下，泌水现象得到改善；在外加硅粉的情况下，流变性显著变差。

表1 试验组设计方案

2.2 试验结果

水泥粘度测试结果为400 cp，各试验组基准稠度比结果见表2。

表2 基准稠度比实验结果

3 试验分析

3.1 试验结果分析

水泥与矿物掺合料加水拌合后存在着大量物理和化学反应，极其复杂。水泥浆拌合时间与混凝土的初凝时间相比较短，故可将化学反应部分忽略不计，主要考虑物理反应。对各组试验结果回归统计分析，见图2。

由图2可知，对于FA组，随着粉煤灰的掺入，水泥胶浆粘度下降，在替代率约为30%时水泥粘度为最低，继续增加粉煤灰的替代量，净浆粘稠度有所回升。矿物掺合料粒子和水泥颗粒游离在水中，水泥胶团粒子和粉煤灰胶团粒子属不同胶粒，相互吸附，部分结合形成新的胶团粒子，并作为一个整体吸附水分子，称其为水泥混合胶团。另一部分水泥和矿物掺合料粒子没有结合，单独游离在水中，独自吸附水分子。而掺入粉煤灰替代量为30%时，水泥与粉煤灰胶团结合较为彻底。当粉煤灰掺量持续升高，富余粉煤灰胶团粒子独立吸附水分子。当水泥50%和粉煤灰50%复配时，粘度为390 cp，与100%净浆稠度相比仅有10 cp的差距，几乎等同于水泥净浆稠度，由此可见对于水分子的吸附能力而言，粉煤灰对水分子的吸附能力要高于水泥。结合最彻底发生在FA30和FA40之间且靠近FA30。

对于FS组，由于矿粉的掺入，水泥浆的稠度显著下降。并且随着矿粉等量代替水泥的比例升高，粘度呈现先下降后提升的趋势。当矿粉替代30%水泥时，其粘度为268 cp，与水泥净浆粘稠度相比减少132 cp，此时富余的矿粉粒子独立吸附水分子，说明矿渣和水泥凝结为整体，在FS30附近最为彻底，占基准稠度的33%。矿粉对粘度的影响比粉煤灰更为显著。实际工程中，当水灰比较小，且对早期强度要求不是太高时，可以适当增加矿粉的掺量，但是矿粉的掺入比例过大则容易出现离析的现象，因此不适合在大水灰比的混凝土中过多加入。对于FA FS组，粉煤灰、矿粉的同时复配掺入，水泥胶浆的粘稠度并没有随着复配比例的不同发生太大的改变，但是水泥胶浆的粘度普遍会比水泥净浆的粘稠度要高，说明粉煤灰和矿粉共同掺入改变了水泥与水的结合模式。在FA20，FS10时粘度达到455 cp，该组配比对水泥亲水特征改变最为显著，更有利于水泥胶浆趋于均匀，更适合混凝土后续的水化反应、水化二次反应的进行。对于FA FS SF组，该组在粉煤灰和矿粉的基础上，引入硅粉，以此来研究硅粉对于水泥胶浆稠度的影响情况。由于硅粉的造价较高，在工程实践中很少作为单一的矿物掺合料与水泥进行掺配，所以在粉煤灰和矿粉的基础上掺入适量的硅粉进行试验。而由图2可知，硅粉的加入对净浆粘度有最为显著的提高，这和硅粉本身具有的特性有关。硅粉对水吸附能力很大，有效地减少水损失，保证混凝土的水化反应有足够的水分，更加有利于细料后续的水化反应以及水化二次反应的进行，在FA10，FS10，SF10时最高，达到633 cp。而随着粉煤灰替代比例的逐步增长，不再出现之前那些由于矿物掺合料的掺入而大幅度改变浆体粘度的现象，而是呈现简单线性关系。由此可见，由于硅粉的掺入，破坏了水泥颗粒表面的电荷特性，使熟料不能再和其他矿物掺合料结合成独立粒子，增加了分散相的个数，各粒子独立分散在分散液中。相比于水泥净浆，由于硅粉的掺入，使浆体粘稠度有了显著的提升，硅粉对水分子的吸附能力最大，对水泥胶浆稠度的改变最为显著。因此，在实际的施工过程中，针对水灰比较大，矿粉含量很高的情况，为了减轻浆体离析的现象，可以适当掺入少量的硅粉，使其能够长时间的保持水泥胶浆的整体均匀，杜绝刚停滞搅拌就会出现离析分层现象发生，硅粉会大幅度提高混凝土的工作性和强度，针对抗渗有要求的工程，掺入硅粉的普通硅酸盐混凝土是首要选择。综上所述，从粘度变化趋势来看，矿粉、粉煤灰、硅粉均有调节水泥净浆稠度的能力。在拌合的初期，对混凝土的工作性调节很大，矿粉和粉煤灰少量加入(低于30%)均使净浆的稠度下降，而矿粉的掺入对于稠度下降影响则更为显著，硅粉对于稠度提升贡献最大。

3.2 水泥胶浆粘度因素分析

矿物掺合料的比表面积是影响水泥胶浆流变性的重要因素。影响粒子比表面积大小的因素有物质的细度模数、该物质的粒子形状。由同倍数SEM电镜分析图可直观的看到各物质的粒径大小以及微观形状。硅粉粒径最小，且呈球形；水泥与粉煤灰粒径相近，但水泥呈不规则多面体形，而粉煤灰则呈球状；矿渣的粒径最大，且矿渣的表面呈现为不规则的多面体。从图3可以看出粉煤灰、水泥、矿渣的粒径属于同一数量级，粉煤灰外形呈球形而矿粉则为不规则的多面体，粉煤灰比表面积要大于矿粉，因此在吸附水的能力方面，粉煤灰大于矿粉，表现为以矿粉作为外掺剂的水泥胶浆粘度要低于以粉煤灰作为外掺剂的水泥胶浆粘度。相比于水泥的电镜分析图片，则可以看出水泥细料颗粒的粒径虽亦呈现为不规则的多面体，但是水泥细料颗粒粒径要小于矿粉大于粉煤灰，所以保水能力方面水泥介于矿粉与粉煤灰之间。

硅粉是相比于粉煤灰粒径更加小的球状物质，表面的光滑程度要比粉煤灰高，所以达到相同的稠度所需颗粒的体积均匀性更好，使水泥胶浆中水的分布更加均匀，更加有利于熟料的水化，二次水化的进行。由于硅粉的工程造价太高，同时过量的硅粉亦会增加水泥胶浆包裹粗细骨料的困难程度，所以推荐用量是5%～10%。

4 结语

1)从吸附水能力对水泥胶浆流变性的影响程度上讲，硅粉由于其结构形状的原因保水性最强，对水泥胶浆流变性的影响最大，其次是矿粉、粉煤灰。2)由于硅粉对水泥胶浆流变性的显著影响，对于有抗渗特殊要求的土建工程，硅粉可以提升混凝土的抗渗能力，建议用量是5%～10%。3)考虑水泥胶浆的流变性，配制高强水泥推荐使用FA10，FS10，SF10组合，对强度没有特殊要求的工程则推荐FA20，FS40组合，该配比的水泥胶浆粘度和水泥净浆的粘度最为相近，减少了水泥的掺量，控制了混凝土的水化热，减少了工程造价。

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On influence of mineral admixtures on rheological property of cement slurry★

Lv Lihua Yan Xu

(CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper researches the rheological property of the cement slurry, undertakes the viscosity tests by changing the types and mixture volumes of the mineral admixtures, analyzes the changes of the rubber paste viscosity, and proves by the result that the mineral admixtures have evident influence on the rheological property on the cement slurry, fly ash and mineral powder to increase the workability of the rubber paste and reduce the silicon powder.

mineral admixture, viscosity, rheological property, rotary viscosimeter, cement slurry

2015-05-25★：黑龙江科技厅攻关项目名称：寒区低熟料高性能水泥混凝土路面的应用研究(项目编号：GC12A110)

吕利华(1963- )，女，硕士生导师，副教授; 闫 旭(1989- )，男，在读硕士

1009-6825(2015)22-0126-03

TU525

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