曹　強

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 渭南 714099;2.陜西省煤基低碳醇轉(zhuǎn)化工程研究中心，陜西 渭南 714099)

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【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

礦物摻合料對水泥流變性的影響

曹強1，2

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，陜西 渭南 714099;2.陜西省煤基低碳醇轉(zhuǎn)化工程研究中心，陜西 渭南 714099)

采用Marsh筒、流動度儀和旋轉(zhuǎn)流變儀分別研究了煤矸石、鋼渣和粉煤灰對水泥流變性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，鋼渣礦物由于結(jié)晶致密、水化反應(yīng)比水泥慢，有利于水泥漿體流動。粉煤灰摻合水泥的流動度低于鋼渣摻合料。煤矸石表面能較高，水化反應(yīng)快，容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，不利于水泥漿體流動。因此，合理利用煤矸石作摻合料的措施需要進一步研究。

煤矸石；鋼渣；粉煤灰；流變性；水泥漿

0　引言

混凝土是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的一種材料[1]，其工作性能的好壞對施工質(zhì)量有重要的影響[2-3]，在配制高性能混凝土時,常采用活性礦物摻合料,以增加混凝土的強度、減輕建筑質(zhì)量、提高耐久性能等[4-5]。徐光勝[6]對在砂漿中摻入粉煤灰和礦粉進行了研究，摻量相同時，粉煤灰改善砂漿流動性效果好于礦粉；有文獻指出，礦物摻合料代替水泥30%時水泥基復(fù)合漿體為牛頓流體，代替水泥40%時漿體為假塑性流體。[7]常見的工業(yè)廢渣有粉煤灰、鋼渣、煤矸石等，可以部分代替水泥改善漿體流動性，進一步提高硬化水泥石后期強度[8-9]。選用這些廢渣作混凝土的摻合料，不僅能減少工業(yè)廢棄物對環(huán)境的污染，又是一種資源化利用的過程，具有環(huán)保意義和經(jīng)濟效益。為了研究不同礦物摻合料對水泥漿體流動性能的影響,選用鋼渣、煤矸石和粉煤灰配制混合水泥漿體，測試了其對水泥流變性的影響規(guī)律。

1　試驗

1.1原材料

普通硅酸鹽水泥P·O42.5，陜西秦嶺水泥廠，水泥成分如表1所示。

煤矸石：取自陜西黃陵礦業(yè)公司，細度60 μm，化學(xué)成分如表2所示。

鋼渣：取自馬鋼公司，密度為3.3 g/cm3，容重2.15 g/cm3，化學(xué)成分如表2所示。

粉煤灰：秦嶺電廠I粉煤灰，密度2.21 g/cm3，平均粒度45 μm，化學(xué)成分如表2所示。

聚羧酸系高效減水劑(PC)：陜西精誠建材公司。

1.2配合比

分別用煤矸石、鋼渣、粉煤灰取代10%、20%和30%的水泥，聚羧酸系高效減水劑用量為0.2%，在水灰比0.29條件下制漿。

表1　水泥化學(xué)成分指標

表2　摻合料的化學(xué)成分(%)

1.3試驗方法

通過Marsh筒測試，水泥漿體流動度測試及旋轉(zhuǎn)流變儀來評價水泥漿料的流變性能。

1.3.1Marsh筒測定

試驗用Marsh筒的形狀及尺寸如圖1所示。測試時，將500 mL水泥凈漿用凈漿攪拌機攪拌均勻的漿體倒入Marsh筒內(nèi)，測試漿體從下部料嘴流出50 mL、 100 mL和150 mL所用的時間，水泥漿的流動性能越好，所用時間越短。

圖1　Marsh筒法

1.3.2流動度測定

試驗參照GB/T8077—2000 混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法進行，取300 g水泥，倒入攪拌鍋內(nèi)。加入87 g水和一定量的礦物摻合料及高效減水劑，攪拌2 min。將拌好的水泥凈漿迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時開啟秒表計時，任凈漿在玻璃板上流動，30 s后，用直尺量取相互垂直的兩個方向的最大直徑，取平均值作為水泥凈漿的流動度。

1.3.3旋轉(zhuǎn)流變儀測定

將混合均勻的漿體置于攪拌鍋，先慢速攪拌2 min，再快速攪拌2 min。采用英國馬爾文旋轉(zhuǎn)流變儀測試新拌水泥漿的流變性能，剪切速率從0增加至150 s-1，記錄不同剪切速率時的剪切應(yīng)力，繪制流變曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1Marsh筒測試結(jié)果與討論

用3種摻合料配制的試樣Marsh筒流動時間測試結(jié)果如圖2所示。

圖2　Marsh筒流動時間

圖3　摻合料代替20%時各試樣的流動度

圖2顯示的是煤矸石、鋼渣和粉煤灰分別代替20%水泥時流動體積與所用時間的關(guān)系，從圖2中可以看出，流出體積50 mL時，鋼渣水泥混合料、粉煤灰水泥混合料、煤矸石水泥混合料的Marsh流動時間很接近，分別是10 s、12 s和13 s。隨著流動體積的增加，Marsh流動時間的差距在加大，流動性能從大到小的次序為：煤矸石水泥混合料<粉煤灰水泥混合料<鋼渣水泥混合料，當混合料流出體積150 mL時，三者對應(yīng)的Marsh流動時間分別是43 s、37 s和33 s。原因在于煤矸石的活性最大，吸水性能強，它會提高漿料的內(nèi)摩擦力，增加塑性粘度，降低漿體流動度，Marsh時間就長。相反，鋼渣活性最小，Marsh時間最短。粉煤灰水泥混合料的Marsh時間介于兩者之間。

2.2截錐圓模流動度測定結(jié)果與討論

圖3是利用截錐圓模測試的不同摻合料水泥拌合物的流動度，試驗數(shù)據(jù)顯示，摻鋼渣的漿體流動性最好，流動度為234 mm；摻粉煤灰的漿體流動度次之，其值為221 mm；煤矸石的摻入不利于漿體的流動，這同周梅等人的研究結(jié)論一致[10]，漿體的流動度只有199 mm。因為經(jīng)過煅燒的煤矸石，晶格發(fā)生畸變,Si-O和Al-O被打開，激發(fā)了較強的膠凝活性，其水化速率相對高于鋼渣和粉煤灰，對體系的自由水消耗最快，導(dǎo)致了較差的流動度。

2.3流變儀測試結(jié)果與討論

2.3.1鋼渣對水泥流變性能的影響

圖4　鋼渣對水泥流變性能的影響

圖5　煤矸石對水泥流變性能的影響

圖4是摻鋼渣的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當剪切速率為150 s-1時，鋼渣代替水泥10%、20%、30%，其對應(yīng)的剪切應(yīng)力分別是：305 Pa、256 Pa和180 Pa?？梢钥闯?，在相同的剪切速率下剪切應(yīng)力隨鋼渣用量的增加而減小，也就是流體的流動性在加大，原因是鋼渣礦物的形成溫度比水泥中的硅酸鹽高200℃～300℃，致使鋼渣中C2S和C3S結(jié)晶致密、晶體粗大，水化反應(yīng)慢于水泥，所以混合漿料的流動性較水泥有所提升，并且與同摻量煤矸石(如圖5所示)和粉煤灰(如圖6所示)相比，摻鋼渣的漿體剪切應(yīng)力最小，最有利于流動。

2.3.2煤矸石對水泥流變性能的影響

圖5是摻煤矸石的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當剪切速率為150 s-1時，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%，其對應(yīng)的剪切應(yīng)力分別是：331 Pa、368 Pa和406 Pa。煤矸石粉因其較強的膠凝活性，比表面積大、吸附水量較多、表面能較高，很容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，降低水泥漿的流動性，[11-12]故其剪切應(yīng)力隨摻量的增加而明顯增大，這同本文中漿體流動度測試結(jié)論一致。

2.3.3粉煤灰對水泥流變性能的影響

圖6　粉煤灰對水泥流變性能的影響

圖6是摻粉煤灰的水泥漿剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系，當剪切速率為150 s-1時，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%時的剪切應(yīng)力分別是：315 Pa、291 Pa和264 Pa。在一定的剪切速率下，隨粉煤灰代替量增大混合漿料的剪切應(yīng)力有小幅降低，例如，當剪切速率為120 s-1時，摻20%粉煤灰(剪切應(yīng)力185 Pa)比摻10%(剪切應(yīng)力215 Pa)的剪切應(yīng)力下降了30 Pa，摻3%(剪切應(yīng)力157 Pa)粉煤灰比摻20%(剪切應(yīng)力185 Pa)的剪切應(yīng)力下降了28 Pa。因為粉煤灰中球形玻璃體起滾珠作用，會使水泥體系流動性提高，但用量增大時吸水量增加，增強了體系的粘聚性，對流動性有不利影響。故隨粉煤灰用量增加體系表現(xiàn)出剪切應(yīng)力略有下降的趨勢。

3　結(jié)論

在聚羧酸系高效減水劑用量為0.2%，煤矸石、鋼渣、粉煤灰分別代替水泥質(zhì)量10%～30%范圍內(nèi)，水灰比為0.29的條件下實驗，得到以下結(jié)論：

(1) 鋼渣礦物由于結(jié)晶致密、晶體粗大，水化反應(yīng)比水泥慢，最有利于水泥漿體流動。

(2) 粉煤灰摻合水泥的流動度低于鋼渣摻合料。

(3) 煤矸石比表面積大，表面能較高，水化反應(yīng)最快，容易形成絮凝結(jié)構(gòu)，最不利于水泥漿體流動,合理利用煤矸石作摻合料的措施需要進一步研究。

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【責任編輯馬小俠】

Influence of Mineral Admixtures on the Rheology of Cement Paste

CAO Qiang1,2

(1. School of Chemistry and Environment,Weinan Normal University,Weinan 714099,China; 2. Coal Based Higher Alcohol Engineering Research Center of Shaanxi Province,Weinan 714099,China)

The influence of gangue,slag and flyash on rheological property of cement paste were investigated by the Marsh cone,micro slumps method and rotational rheometer. The results showed that slag mineral was most beneficial to liquidity of cement paste because of its dense crystal,slower hydration reaction than cement. Liquidity of cement paste mixed with flyash was slower than that mixed with slag. Gangue has high surface energy. The hydration reaction speed of gangue was the most rapid. The flocculent structures which was disadvantageous to flow of cement paste could be easily formed by gangue. Measures for rational utilization of gangue as concrete admixture need to be further studied.

gangue; slag; flyash; rheology; cement paste

TQ172.78

A

1009-5128(2016)12-0036-05

2015-06-22

陜西省教育廳科學(xué)研究項目:微孔(刺狀)聚苯胺/石墨烯納米復(fù)合材料對有害氣體響應(yīng)性的研究(14JK1257)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科項目：秦東化工材料技術(shù)調(diào)查(14TSXK04)

曹強(1980—)，男，陜西藍田人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院講師，陜西科技大學(xué)博士研究生，主要從事綠色化學(xué)品研究。