矿物掺合料对水泥流变性的影响

曹　强

(1.渭南师范学院 化学与环境学院，陕西 渭南 714099;2.陕西省煤基低碳醇转化工程研究中心，陕西 渭南 714099)



【现代应用技术研究】

矿物掺合料对水泥流变性的影响

曹强1，2

(1.渭南师范学院 化学与环境学院，陕西 渭南 714099;2.陕西省煤基低碳醇转化工程研究中心，陕西 渭南 714099)

采用Marsh筒、流动度仪和旋转流变仪分别研究了煤矸石、钢渣和粉煤灰对水泥流变性能的影响规律。结果表明，钢渣矿物由于结晶致密、水化反应比水泥慢，有利于水泥浆体流动。粉煤灰掺合水泥的流动度低于钢渣掺合料。煤矸石表面能较高，水化反应快，容易形成絮凝结构，不利于水泥浆体流动。因此，合理利用煤矸石作掺合料的措施需要进一步研究。

煤矸石；钢渣；粉煤灰；流变性；水泥浆

0　引言

混凝土是建筑工程中应用最广泛的一种材料[1]，其工作性能的好坏对施工质量有重要的影响[2-3]，在配制高性能混凝土时,常采用活性矿物掺合料,以增加混凝土的强度、减轻建筑质量、提高耐久性能等[4-5]。徐光胜[6]对在砂浆中掺入粉煤灰和矿粉进行了研究，掺量相同时，粉煤灰改善砂浆流动性效果好于矿粉；有文献指出，矿物掺合料代替水泥30%时水泥基复合浆体为牛顿流体，代替水泥40%时浆体为假塑性流体。[7]常见的工业废渣有粉煤灰、钢渣、煤矸石等，可以部分代替水泥改善浆体流动性，进一步提高硬化水泥石后期强度[8-9]。选用这些废渣作混凝土的掺合料，不仅能减少工业废弃物对环境的污染，又是一种资源化利用的过程，具有环保意义和经济效益。为了研究不同矿物掺合料对水泥浆体流动性能的影响,选用钢渣、煤矸石和粉煤灰配制混合水泥浆体，测试了其对水泥流变性的影响规律。

1　试验

1.1原材料

普通硅酸盐水泥P·O42.5，陕西秦岭水泥厂，水泥成分如表1所示。

煤矸石：取自陕西黄陵矿业公司，细度60 μm，化学成分如表2所示。

钢渣：取自马钢公司，密度为3.3 g/cm3，容重2.15 g/cm3，化学成分如表2所示。

粉煤灰：秦岭电厂I粉煤灰，密度2.21 g/cm3，平均粒度45 μm，化学成分如表2所示。

聚羧酸系高效减水剂(PC)：陕西精诚建材公司。

1.2配合比

分别用煤矸石、钢渣、粉煤灰取代10%、20%和30%的水泥，聚羧酸系高效减水剂用量为0.2%，在水灰比0.29条件下制浆。

表1　水泥化学成分指标

表2　掺合料的化学成分(%)

1.3试验方法

通过Marsh筒测试，水泥浆体流动度测试及旋转流变仪来评价水泥浆料的流变性能。

1.3.1Marsh筒测定

试验用Marsh筒的形状及尺寸如图1所示。测试时，将500 mL水泥净浆用净浆搅拌机搅拌均匀的浆体倒入Marsh筒内，测试浆体从下部料嘴流出50 mL、 100 mL和150 mL所用的时间，水泥浆的流动性能越好，所用时间越短。

图1　Marsh筒法

1.3.2流动度测定

试验参照GB/T8077—2000 混凝土外加剂匀质性试验方法进行，取300 g水泥，倒入搅拌锅内。加入87 g水和一定量的矿物掺合料及高效减水剂，搅拌2 min。将拌好的水泥净浆迅速注入截锥圆模内，用刀刮平，将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，任净浆在玻璃板上流动，30 s后，用直尺量取相互垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆的流动度。

1.3.3旋转流变仪测定

将混合均匀的浆体置于搅拌锅，先慢速搅拌2 min，再快速搅拌2 min。采用英国马尔文旋转流变仪测试新拌水泥浆的流变性能，剪切速率从0增加至150 s-1，记录不同剪切速率时的剪切应力，绘制流变曲线。

2　结果与讨论

2.1Marsh筒测试结果与讨论

用3种掺合料配制的试样Marsh筒流动时间测试结果如图2所示。

图2　Marsh筒流动时间

图3　掺合料代替20%时各试样的流动度

图2显示的是煤矸石、钢渣和粉煤灰分别代替20%水泥时流动体积与所用时间的关系，从图2中可以看出，流出体积50 mL时，钢渣水泥混合料、粉煤灰水泥混合料、煤矸石水泥混合料的Marsh流动时间很接近，分别是10 s、12 s和13 s。随着流动体积的增加，Marsh流动时间的差距在加大，流动性能从大到小的次序为：煤矸石水泥混合料<粉煤灰水泥混合料<钢渣水泥混合料，当混合料流出体积150 mL时，三者对应的Marsh流动时间分别是43 s、37 s和33 s。原因在于煤矸石的活性最大，吸水性能强，它会提高浆料的内摩擦力，增加塑性粘度，降低浆体流动度，Marsh时间就长。相反，钢渣活性最小，Marsh时间最短。粉煤灰水泥混合料的Marsh时间介于两者之间。

2.2截锥圆模流动度测定结果与讨论

图3是利用截锥圆模测试的不同掺合料水泥拌合物的流动度，试验数据显示，掺钢渣的浆体流动性最好，流动度为234 mm；掺粉煤灰的浆体流动度次之，其值为221 mm；煤矸石的掺入不利于浆体的流动，这同周梅等人的研究结论一致[10]，浆体的流动度只有199 mm。因为经过煅烧的煤矸石，晶格发生畸变,Si-O和Al-O被打开，激发了较强的胶凝活性，其水化速率相对高于钢渣和粉煤灰，对体系的自由水消耗最快，导致了较差的流动度。

2.3流变仪测试结果与讨论

2.3.1钢渣对水泥流变性能的影响

图4　钢渣对水泥流变性能的影响

图5　煤矸石对水泥流变性能的影响

图4是掺钢渣的水泥浆剪切应力与剪切速率的关系，当剪切速率为150 s-1时，钢渣代替水泥10%、20%、30%，其对应的剪切应力分别是：305 Pa、256 Pa和180 Pa。可以看出，在相同的剪切速率下剪切应力随钢渣用量的增加而减小，也就是流体的流动性在加大，原因是钢渣矿物的形成温度比水泥中的硅酸盐高200℃～300℃，致使钢渣中C2S和C3S结晶致密、晶体粗大，水化反应慢于水泥，所以混合浆料的流动性较水泥有所提升，并且与同掺量煤矸石(如图5所示)和粉煤灰(如图6所示)相比，掺钢渣的浆体剪切应力最小，最有利于流动。

2.3.2煤矸石对水泥流变性能的影响

图5是掺煤矸石的水泥浆剪切应力与剪切速率的关系，当剪切速率为150 s-1时，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%，其对应的剪切应力分别是：331 Pa、368 Pa和406 Pa。煤矸石粉因其较强的胶凝活性，比表面积大、吸附水量较多、表面能较高，很容易形成絮凝结构，降低水泥浆的流动性，[11-12]故其剪切应力随掺量的增加而明显增大，这同本文中浆体流动度测试结论一致。

2.3.3粉煤灰对水泥流变性能的影响

图6　粉煤灰对水泥流变性能的影响

图6是掺粉煤灰的水泥浆剪切应力与剪切速率的关系，当剪切速率为150 s-1时，粉煤灰代替水泥10%、20%、30%时的剪切应力分别是：315 Pa、291 Pa和264 Pa。在一定的剪切速率下，随粉煤灰代替量增大混合浆料的剪切应力有小幅降低，例如，当剪切速率为120 s-1时，掺20%粉煤灰(剪切应力185 Pa)比掺10%(剪切应力215 Pa)的剪切应力下降了30 Pa，掺3%(剪切应力157 Pa)粉煤灰比掺20%(剪切应力185 Pa)的剪切应力下降了28 Pa。因为粉煤灰中球形玻璃体起滚珠作用，会使水泥体系流动性提高，但用量增大时吸水量增加，增强了体系的粘聚性，对流动性有不利影响。故随粉煤灰用量增加体系表现出剪切应力略有下降的趋势。

3　结论

在聚羧酸系高效减水剂用量为0.2%，煤矸石、钢渣、粉煤灰分别代替水泥质量10%～30%范围内，水灰比为0.29的条件下实验，得到以下结论：

(1) 钢渣矿物由于结晶致密、晶体粗大，水化反应比水泥慢，最有利于水泥浆体流动。

(2) 粉煤灰掺合水泥的流动度低于钢渣掺合料。

(3) 煤矸石比表面积大，表面能较高，水化反应最快，容易形成絮凝结构，最不利于水泥浆体流动,合理利用煤矸石作掺合料的措施需要进一步研究。

[1] J. Justs,M. Wyrzykowski,D. Bajare,et al. Internal curing by superabsorbent polymers in ultra-high performance concrete [J].Cement and Concrete Research,2015,76(4):7682-7690.

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【责任编辑马小侠】

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

陕西省教育厅科学研究项目:微孔(刺状)聚苯胺/石墨烯纳米复合材料对有害气体响应性的研究(14JK1257)；渭南师范学院特色学科项目：秦东化工材料技术调查(14TSXK04)

曹强(1980—)，男，陕西蓝田人，渭南师范学院化学与环境学院讲师，陕西科技大学博士研究生，主要从事绿色化学品研究。