超細(xì)粉煤灰對低水膠比復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)性的影響
近年來，具有優(yōu)異力學(xué)性能和耐久性能的超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）迅速發(fā)展，并開始在實(shí)際工程中大量應(yīng)用。UHPC材料組成的顯著特點(diǎn)之一是低水膠比的膠凝材料漿體的體積分?jǐn)?shù)大。低水膠比的膠凝材料漿體較黏稠，變形量大，流動(dòng)緩慢，導(dǎo)致UHPC的工作性與普通混凝土有明顯差異。因此，探索低水膠比復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)性能及其影響因素是研究其工作性的基礎(chǔ)。
膠凝材料的組成是影響漿體流動(dòng)性和流變行為的主要因素之一。粉煤灰是常用的礦物摻合料之一，在配制UHPC時(shí)，為了獲得要求的力學(xué)性能，常使用超細(xì)粉煤灰或粉煤灰微珠。目前，超細(xì)粉煤灰對低水膠比復(fù)合水泥基材料漿體的流動(dòng)性和流變行為的影響結(jié)論并未統(tǒng)一，影響機(jī)理也尚未明確。這是因?yàn)榈退z比的膠凝材料漿體具有剪切增稠或剪切稀化的特點(diǎn)，已偏離 Bingham模型描述的線性流變特性，而非線性的改進(jìn)Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等參數(shù)的物理意義不明確，計(jì)算過程復(fù)雜，給實(shí)際應(yīng)用帶來困難。因此，關(guān)于低水膠比膠凝材料漿體的流變模型選擇和優(yōu)化還需進(jìn)一步研究。
近年來，復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)性與流變性能的關(guān)系受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)度、流動(dòng)速率及流變參數(shù)存在一定相關(guān)性。建立復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)性與流變性能的關(guān)系，能從理論上研究復(fù)合膠凝材料漿體的工作性變化規(guī)律，為探索實(shí)用性更好的復(fù)合膠凝材料漿體提供理論基礎(chǔ)。TREGGER等建立了漿體的流動(dòng)度與屈服應(yīng)力、流動(dòng)時(shí)長與塑性黏度的關(guān)系式。MENG等[13]建立了適用于流動(dòng)度為280 mm的新拌UHPC漿體塑性黏度與V型漏斗流出時(shí)間的關(guān)系式。然而，現(xiàn)階段摻超細(xì)粉煤灰的低水膠比復(fù)合膠凝材料漿體的流動(dòng)性與流變性能關(guān)系的相關(guān)研究仍相對較少?；谡n題組前期研究結(jié)果，本文通過不同超細(xì)粉煤灰摻量、不同水膠比和不同硅灰摻量的復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)性和流變性測試，研究超細(xì)粉煤灰摻量的變化對低水膠比復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)性與流變性能的影響，分析流動(dòng)性與流變性能的關(guān)系。
1.1? ?原材料
水泥：符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求的P·Ⅰ42.5級水泥，比表面積為347 m2/kg。
超細(xì)粉煤灰：符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和GB/T 18736—2017《高強(qiáng)高性能混凝土用礦物外加劑》要求的超細(xì)粉煤灰，比表面積為3.69×103 m2/kg。
硅灰：符合GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》要求的加密硅灰，比表面積為2.00×104 m2/kg。
? ? ? 膠凝材料的化學(xué)組成見表1，粒徑分布見圖1。
減水劑：減水率為32%的聚羧酸高效減水劑。
? ? ? 水：自來水。
1.2? ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)水膠比為0.16和0.18，減水劑摻量固定為膠凝材料質(zhì)量的0.8%，硅灰摻量為膠凝材料質(zhì)量的6%和8%，試驗(yàn)配合比如表2所示，編號中C為超細(xì)粉煤灰的質(zhì)量摻量（0、10%、20%、30%、40%）。
1.3? ?性能測試
漿體的流動(dòng)性測試按GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，根據(jù)測得的流動(dòng)度和流動(dòng)停止時(shí)的時(shí)間計(jì)算漿體的平均流動(dòng)速率。
使用Brookfield RST-SST同軸雙圓筒流變儀進(jìn)行漿體流變性能測試。圓柱形轉(zhuǎn)子的有效高度為37.5 mm，半徑為12.5 mm，外筒內(nèi)壁半徑為13.56 mm，測試過程中外筒保持靜止。流變性能測試過程中的轉(zhuǎn)速變化見圖2，測試總時(shí)長為5.5 min，0～25 s轉(zhuǎn)速線性增加至50 r/min，25～205 s轉(zhuǎn)速保持不變，隨后轉(zhuǎn)速以5 r/min呈階梯式下降，每個(gè)轉(zhuǎn)速臺階保持15 s，待扭矩穩(wěn)定后讀數(shù)。漿體的流變性能測試結(jié)果采用線性Bingham模型進(jìn)行擬合，所得屈服應(yīng)力均為負(fù)值，說明低水膠比的復(fù)合膠凝材料漿體具有非線性流變特性。據(jù)此，采用黎夢圓等提出的大流態(tài)混凝土指數(shù)型流變模型計(jì)算漿體的流變參數(shù)（包括增稠指數(shù)、黏度系數(shù)和屈服應(yīng)力），當(dāng)增稠指數(shù)大于1時(shí)，表明漿體具有剪切增稠特性。
漿體的流動(dòng)性參數(shù)（流動(dòng)度、流動(dòng)時(shí)間和平均流動(dòng)速率）和流變參數(shù)（黏度系數(shù)、屈服應(yīng)力和增稠指數(shù)）如表3所示
2.1? ?超細(xì)粉煤灰摻量對漿體流動(dòng)性與流變性能的影響
漿體的流動(dòng)性（流動(dòng)度、流動(dòng)時(shí)長及平均流動(dòng)速率）與超細(xì)粉煤灰摻量的關(guān)系分別見圖3～圖5。
由表3和圖3～圖5可知，超細(xì)粉煤灰摻量及硅灰摻量相同時(shí)，水膠比提高，漿體的流動(dòng)度增大，流動(dòng)時(shí)長變短，平均流動(dòng)速率提高。水膠比由0.16提高為0.18時(shí)，超細(xì)粉煤灰摻量越高，漿體的流動(dòng)度增量越小。
相同水膠比和硅灰摻量時(shí)，隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，漿體的流動(dòng)度增大，摻量超過20%后，流動(dòng)度增幅逐漸變緩，漿體的流動(dòng)時(shí)長先縮短，超過20%后逐漸延長（見圖4），但總體變化不大；漿體的平均流動(dòng)速率先提高后逐漸下降。硅灰摻量相同時(shí)，水膠比為0.18的漿體流動(dòng)速率較大，但變化幅度較小，說明水膠比為0.16的漿體更黏稠，變形速率低。由于超細(xì)粉煤灰的粒徑小于水泥，其比表面積約為水泥的10倍，摻加超細(xì)粉煤灰可以使膠凝材料的堆積密實(shí)度和平均比表面積增大，在超細(xì)粉煤灰摻量較低（＜20%）時(shí)，以膠凝材料堆積密實(shí)度增大為主要影響因素，原包裹在膠凝材料顆粒之間的水分被擠出，增加了可用于潤滑作用的水分，使?jié){體的流動(dòng)性明顯增加；在超細(xì)粉煤灰摻量較高（≥20%）時(shí)，膠凝材料的平均比表面積明顯增大，膠凝材料顆粒表面覆蓋的水膜厚度減小，水膜的潤滑作用減弱，對漿體流動(dòng)性的改善幅度降低。
復(fù)合膠凝材料漿體的流變性能（黏度系數(shù)、屈服應(yīng)力及增稠指數(shù)）與超細(xì)粉煤灰摻量的關(guān)系分別如圖6～圖8所示。
由圖6和表3可知，0.16-6-C和0.18-8-C的黏度系數(shù)整體介于0.16-8-C與0.18-6-C的黏度系數(shù)之間；當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量為0時(shí)，0.16-8-0的黏度系數(shù)為0.18-6-0的4倍左右，隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，這種差異逐漸縮小，當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量達(dá)到40%時(shí)，0.16-8-40%與0.18-6-40%的黏度系數(shù)大致相等，但前者仍大于后者；0.16-6-C與0.18-6-C、0.16-8-C與0.18-8-C之間也存在類似現(xiàn)象。說明當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量相同時(shí)，水膠比越低或硅灰摻量越高，漿體的黏度系數(shù)越大，漿體越黏稠，流動(dòng)速率降低。漿體的黏度系數(shù)隨超細(xì)粉煤灰摻量的增加而減小，且降幅變緩。超細(xì)粉煤灰為球狀顆粒，其摻量增加使膠凝材料顆粒間的摩擦力減小，進(jìn)而降低了漿體的黏度系數(shù)；降幅逐漸變緩則說明超細(xì)粉煤灰摻量越高，其降黏效果越弱。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量增至30%后，繼續(xù)增加摻量，漿體的比表面積增大較多，膠凝材料顆粒表面的水膜厚度較薄，水膜的潤滑作用減弱，漿體的黏度系數(shù)降低不明顯。
由圖7和表3可知，水膠比減小或超細(xì)粉煤灰摻量增加，漿體的屈服應(yīng)力增大，說明漿體的內(nèi)聚力增大；硅灰摻量對漿體屈服應(yīng)力的影響不明顯，這與其顆粒粒徑較小、摻量較少有關(guān)；硅灰摻量相同時(shí)，不同水膠比的漿體屈服應(yīng)力差值隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加逐漸變大，但當(dāng)摻量超過30%后，差值趨于穩(wěn)定。
由圖8和表3可知，各組漿體的增稠指數(shù)均大于1，說明漿體具有剪切增稠的特點(diǎn)，應(yīng)使用非線性流變模型擬合計(jì)算其流變參數(shù)。隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，相同水膠比及硅灰摻量的漿體增稠指數(shù)逐漸提高，剪切增稠程度增加。當(dāng)超細(xì)粉煤灰摻量小于30%時(shí)，隨著硅灰摻量的增加，漿體的增稠指數(shù)減?。划?dāng)超細(xì)粉煤灰摻量大于30%時(shí)，各組漿體的增稠指數(shù)較為接近，說明超細(xì)粉煤灰摻量為30%可能是其有效影響漿體流變性能的上限值。
2.2? ?漿體的流動(dòng)性和流變性能的關(guān)系
對不同超細(xì)粉煤灰摻量的漿體流動(dòng)度與黏度系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行擬合，見圖9，分別得到漿體流動(dòng)度-黏度系數(shù)的關(guān)系式，見式（1）～式（4）。
??由圖9和式（1）～式（4）可知，擬合方差分別為0.86、0.97、0.69、0.61。漿體的流動(dòng)度與黏度系數(shù)呈線性負(fù)相關(guān)。相同流動(dòng)度時(shí)，超細(xì)粉煤灰摻量越高，漿體的黏度系數(shù)越??；相同超細(xì)粉煤灰摻量時(shí)，流動(dòng)度越大，漿體的黏度系數(shù)越小。上述規(guī)律均與文獻(xiàn)的結(jié)果相符。
由于未摻超細(xì)粉煤灰時(shí)，各組漿體的屈服應(yīng)力均接近0，故對超細(xì)粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%的漿體流動(dòng)度與屈服應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行擬合，見圖10，分別得到漿體流動(dòng)度-屈服應(yīng)力的關(guān)系式，見式（5）～式(7）。
由圖10和式（5）～式（7）可知，擬合方差分別為0.71、0.74、0.84。相同流動(dòng)度時(shí)，超細(xì)粉煤灰摻量越高，漿體的屈服應(yīng)力越大；相同超細(xì)粉煤灰摻量時(shí)，流動(dòng)度增大，漿體的屈服應(yīng)力減小。相同流動(dòng)度時(shí)，超細(xì)粉煤灰摻量增加，漿體的黏度系數(shù)減小，但屈服應(yīng)力增大?？梢?，漿體流動(dòng)度的大小同時(shí)受其黏度（黏度系數(shù)）和變形能力（屈服應(yīng)力）的影響。
不同的超細(xì)粉煤灰摻量時(shí)，各組漿體的屈服應(yīng)力與流動(dòng)時(shí)長和平均流動(dòng)速率的關(guān)系見圖11。
由圖11可知，摻10%的超細(xì)粉煤灰后，漿體的屈服應(yīng)力增大，平均流動(dòng)速率提高，而流動(dòng)時(shí)長縮短；隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增大，漿體的屈服應(yīng)力不斷增大，流動(dòng)時(shí)長延長，而平均流動(dòng)速率在摻量為10%～20%時(shí)提高，20%～40%時(shí)下降。由于漿體只在外加應(yīng)力超過其屈服應(yīng)力時(shí)開始流動(dòng)，屈服應(yīng)力越大，漿體越不容易發(fā)生變形，流動(dòng)時(shí)長相應(yīng)延長。
圖12為各組漿體的黏度系數(shù)與其流動(dòng)時(shí)長和平均流動(dòng)速率的關(guān)系。由圖12可知，超細(xì)粉煤灰摻量由0增至20%時(shí)，漿體的黏度系數(shù)減小，平均流動(dòng)速率逐漸提高，流動(dòng)時(shí)長在摻量為0～10%時(shí)縮短，10%～20%時(shí)延長；繼續(xù)提高超細(xì)粉煤灰摻量，漿體的平均流動(dòng)速率下降，流動(dòng)時(shí)長延長?？梢?，漿體的流動(dòng)速度與其黏度相關(guān)（本文所得的黏度系數(shù)是與流體微分黏度有關(guān)的參數(shù)，可用以表征漿體的黏度），黏度系數(shù)減小，平均流動(dòng)速率提高，而超細(xì)粉煤灰摻量超過30%后，漿體的平均流動(dòng)速率下降幅度較大。說明過高的超細(xì)粉煤灰摻量可能導(dǎo)致漿體的黏度增大。綜上，超細(xì)粉煤灰摻量低于20%時(shí)，漿體的黏度增幅與平均流動(dòng)速率降幅明顯，超過30%后流動(dòng)時(shí)長明顯延長，當(dāng)摻量為20%～30%時(shí)，漿體整體具有相對較好的流動(dòng)性與流變性能。
? ? ? ? （1）相同水膠比和硅灰摻量時(shí)，漿體的流動(dòng)度隨超細(xì)粉煤灰摻量的增加而增大，但增幅變緩，流動(dòng)時(shí)長先縮短后逐漸延長，平均流動(dòng)速率先提高后逐漸下降。
?。?）相同水膠比和硅灰摻量時(shí)，隨著超細(xì)粉煤灰摻量的增加，漿體的黏度系數(shù)減小，且降幅變緩，屈服應(yīng)力增大，剪切增稠性增強(qiáng)。
?。?）相同的超細(xì)粉煤灰摻量時(shí)，漿體的流動(dòng)度-黏度系數(shù)和流動(dòng)度-屈服應(yīng)力均呈負(fù)相關(guān)，黏度系數(shù)或屈服應(yīng)力減小，漿體的流動(dòng)度增大；相同的流動(dòng)度時(shí)，超細(xì)粉煤灰摻量較高時(shí)，漿體的黏度系數(shù)減小，屈服應(yīng)力增大。漿體流動(dòng)度同時(shí)受其黏度和變形能力的影響
Release time : 2023-07-25
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