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摘 要： 采用 Brookfield 流變儀測(cè)試機(jī)制砂中石粉含量對(duì)高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿流變性能的影響，并結(jié)合相應(yīng)機(jī)制砂混凝土工作性能的測(cè)試，探討了砂漿流變學(xué)參數(shù)與混凝土坍落度和擴(kuò)展度的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量低于 5%時(shí)，石粉含量變化對(duì)砂漿工作性無(wú)不利影響；但當(dāng)石粉含量大于 5%時(shí)，隨機(jī)制砂中石粉含量的提高，砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力增大，顯著劣化砂漿的工作性能。當(dāng)石粉等質(zhì)量取代水泥作礦物摻合料時(shí)，適量的石粉可以改善砂漿的流變性能。試驗(yàn)結(jié)果還表明：機(jī)制砂砂漿的流變學(xué)參數(shù)與混凝土工作性能測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以指導(dǎo)機(jī)制砂混凝土的組成設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞： 機(jī)制砂；石粉；流變學(xué)；工作性；砂漿
中圖分類號(hào)： TU528.041 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1002-3550（2014）06-0118-03
 
0 引言
隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，我國(guó)不少地區(qū)天然砂的資源匱乏，已不能滿足工程需要，使用機(jī)制砂配制混凝土將會(huì)成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。相比于河砂，機(jī)制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角，細(xì)度模數(shù)較大，級(jí)配不良，堆積空隙率高并且含有大量的石粉，在配制混凝土?xí)r會(huì)造成需水量增加，粗糙的表面和機(jī)械咬合會(huì)增加混凝土流動(dòng)的阻力，機(jī)制砂級(jí)配中間顆粒較少，使得配制的混凝土易離析泌水 [1] 。
 
制砂過(guò)程中含有大量的石粉，對(duì)于混凝土的工作性而言，石粉在存在可以彌補(bǔ)機(jī)制砂混凝土漿體不足的缺陷，減少機(jī)制砂和碎石之間的摩擦，改善拌合物的和易性，這是石粉的正作用，機(jī)制砂石粉含量的增加必然會(huì)導(dǎo)致包裹其水的用量增加，增加混凝土的黏滯性，正負(fù)作用的效果取決于粉體的用量及水膠比，機(jī)制砂必然存在臨界石粉含量保證混凝土有較好的工作性 [2] 。
 
對(duì)于 C80 級(jí)機(jī)制砂混凝土，我國(guó)已有少量的工程應(yīng)用 [3-5] ，在施工時(shí)普遍存在黏性大、混凝土與泵送管的剪切阻力大的特點(diǎn)。在評(píng)價(jià)混凝土工作性時(shí)常采用坍落度和擴(kuò)展度的方法，擴(kuò)展度在一定范圍內(nèi)可以反映混凝土的黏度，但對(duì)于 C80 級(jí)混凝土一般通過(guò)攪拌時(shí)工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷，而使用砂漿的流變學(xué)試驗(yàn)可以定量的描述砂漿的黏度，粗骨料對(duì)漿體的流動(dòng)性能影響很大，試驗(yàn)會(huì)產(chǎn)生很大的離散，而砂漿可以認(rèn)為是一種細(xì)集料混凝土，砂漿各組分對(duì)其屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響與它們對(duì)新拌混凝土屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響相似 [6] ，所以本試驗(yàn)采用成功配制 C80 機(jī)制砂混凝土相同配合比的砂漿進(jìn)行流變學(xué)試驗(yàn)。
 
水泥砂漿的流變性，作為一次近似常用 Bingham 模型來(lái)描述。其流變方程為：

 
當(dāng) τ<τ 0 時(shí)，沒(méi)有流動(dòng)發(fā)生，只有彈性變形，是一種固體；只有 τ>τ 0 時(shí)，它才發(fā)生黏性流動(dòng)，具有流體的性質(zhì)。屈服應(yīng)力 τ 0 是由漿體內(nèi)各顆粒之間的附著力和摩擦力產(chǎn)生的，是阻止?jié){體塑性變形的大應(yīng)力。而塑性黏度η 則是水泥漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻礙流動(dòng)的一種性能，反映了水泥漿體體系變形的速度。因此屈服應(yīng)力和塑性黏度值與漿體體系內(nèi)顆粒的形狀、粗細(xì)、粒徑分布及比表面積等因素有關(guān)。如果把流變特征引入到工作性好壞的標(biāo)志之中，屈服值越小，代表可塑性越好，當(dāng)混凝土需要較高的穩(wěn)定性的時(shí)候則相反，屈服值跟混凝土的坍落度有一定的關(guān)系；塑性黏度則代表混凝土的流動(dòng)性和黏性以及易密性 [7] 。
 
1 原材料與試驗(yàn)方法
1.1 原材料
華新 P·O 52.5 級(jí)水泥；岳陽(yáng)河砂，細(xì)度模數(shù) 2.5，屬于II 區(qū)中砂；福岡石灰?guī)r機(jī)制砂（水洗至石粉含量為 3%）；福岡風(fēng)選石粉，粒徑小于 75 μm；武鋼礦渣粉，比表面積為552 m 2 /kg；?？瞎璺?，比表面積為 18 000 m 2 /kg；武漢陽(yáng)邏電廠生產(chǎn)的 I 級(jí)粉煤灰，比表面積為 444 m 2 /kg；蘇州弗克高效外加劑與格雷斯外加劑復(fù)摻，減水率 30%。水泥的主要性質(zhì)與機(jī)制砂的篩分曲線分別見(jiàn)表 1、圖 1。

 
1.2 試驗(yàn)方法
（1）流變性能測(cè)試。水泥砂漿的流變性能用美國(guó) Brook-field 公司生產(chǎn)的 R/S-SST 流變儀檢測(cè)。采用槳式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子型號(hào)為 V40-20 型。選擇剪切速度從 0~150（1/S）范圍內(nèi)變化，每 3 s 變化一次剪切速度，連續(xù)檢測(cè) 5 min 內(nèi)漿體的剪切應(yīng)力與黏度的變化。測(cè)試在在（20±2）℃下進(jìn)行。砂漿按 GB/T 17671—1999 的制備方法進(jìn)行制備，然后采用R/S-SST 型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定漿體在各剪切速率下的剪切應(yīng)力值，并利用小二乘法進(jìn)行擬合，得到流變方程及相應(yīng)的屈服應(yīng)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試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試?；炷恋奶涠扰c坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)采用 JG 3021—1994 規(guī)定的混凝土坍落度儀。
 
2 結(jié)果與分析
為了探尋砂漿和混凝土之間流變性能的相關(guān)性，試驗(yàn)采用了 C80 機(jī)制砂混凝土中的砂漿配合比，固定外加劑的摻量，基礎(chǔ)配合比為水∶膠凝材料∶外加劑∶機(jī)制砂 =0.25∶1∶0.009∶1.2，膠凝材料配合比為水泥∶礦粉∶粉煤灰∶硅粉 =0.52∶0.25∶0.15∶0.08。采用外加石粉的方式調(diào)節(jié)機(jī)制砂中的石粉含量。
 
2.1 機(jī)制砂中石粉含量對(duì)砂漿流變性能的影響混凝土是一個(gè)堆積體系，當(dāng)體系各粒徑比例合適的時(shí)候，混凝土的流變性能會(huì)達(dá)到優(yōu)，使得混凝土的工作性能達(dá)到。對(duì)于機(jī)制砂混凝土而言，由于機(jī)制砂的特殊性質(zhì)，石粉可以填充一部分大顆粒產(chǎn)生的空隙，彌補(bǔ)機(jī)制砂級(jí)配的不足，改善砂漿的和易性。試驗(yàn)對(duì)比研究了不同石粉含量的機(jī)制砂砂漿的流變性能，并與河砂砂漿進(jìn)行了比較。

 
從表 2 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)石粉含量為 3%~5%時(shí)，機(jī)制砂砂漿的塑性黏度與屈服應(yīng)力等流變學(xué)參數(shù)基本一致，由于整體石粉的含量較少，石粉含量的增加并沒(méi)有改變砂漿的工作性。當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量為大于 7%時(shí)，機(jī)制砂砂漿的流變性能開始出現(xiàn)較為明顯的變化，塑性黏度和屈服應(yīng)力開始明顯增大，如 10%的石粉含量比 5%塑性黏度增加 1.8 倍，屈服應(yīng)力增加 14.5%。對(duì)于高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿，其水膠比較低，膠凝材料的用量較高，砂漿本身的黏度大。從流變學(xué)參數(shù)看，當(dāng)石粉含量從 3%提高到 5%時(shí)，砂漿的塑性黏度基本沒(méi)有變化，但屈服應(yīng)力甚至還略有降低，石粉含量的提高，對(duì)砂漿有一定的改善作用，但這種改善作用由于較高的膠凝材料用量而顯得作用不甚明顯。但當(dāng)石粉含量大于 5%，達(dá)到 7%、10%時(shí)，由于石粉含量的增加，需水量增加，導(dǎo)致砂漿中的自由水含量進(jìn)一步減小，塑性黏度和屈服應(yīng)力大幅提高，使機(jī)制砂砂漿的流變性能降低。對(duì)于高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿（或 C80 機(jī)制砂混凝土），當(dāng)石粉含量小于 5%時(shí)，石粉可在一定程度上改善砂漿的工作性能，石粉的正作用大于負(fù)作用；而高于 5%，石粉含量的提高致使砂漿工作性能出現(xiàn)劣化趨勢(shì)，負(fù)作用大于正作用，即可認(rèn)為對(duì)于高強(qiáng)砂漿（或 C80 混凝土而言），石粉含量為 5%。
 
2.2 石粉取代膠凝材料對(duì)高強(qiáng)砂漿流變性能的影響
機(jī)制砂中石粉細(xì)度接近于水泥的細(xì)度，為了廢物利用，已有研究利用機(jī)制砂中石粉少量替代水泥，作為混凝土的膠凝材料。為了研究機(jī)制砂中石粉對(duì)砂漿流變性能的影響，以石粉等質(zhì)量取代部分水泥、礦粉和粉煤灰，測(cè)試砂漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度。試驗(yàn)配合比特點(diǎn)與結(jié)果見(jiàn)表 3。

 
從表 3 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，石粉取代水泥配制的砂漿與基準(zhǔn)砂漿相比，塑性黏度和屈服應(yīng)力都有所下降，由于石粉與水泥相比吸水量低，粉體的用量不變，相當(dāng)于增加了水膠比，漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度均下降；與基準(zhǔn)砂漿相比，石粉取代礦粉后，砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力也有所下降，主要原因是粒度較大的石粉取代部分粒度較小的礦粉使堆積體系顆粒級(jí)配得到優(yōu)化，漿體的塑性黏度與屈服應(yīng)力均下降；與基準(zhǔn)砂漿相比，石粉取代粉煤灰后，砂漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力基本一致，取代量逐步增加塑性黏度增大，但屈服應(yīng)力基本不變，表明石粉與粉煤灰在砂漿可塑性方面的表現(xiàn)基本一致，由于石粉的需水量和顆粒級(jí)配的原因使得黏度增大。因此，通過(guò)上述對(duì)比試驗(yàn)研究可以認(rèn)為，在保證強(qiáng)度的情況下可以采用固定水膠比及粉體材料總量，通過(guò)優(yōu)化各粉體的顆粒級(jí)配使得漿體形成堆積體系，使用石粉取代膠凝材料（相當(dāng)于增加機(jī)制砂中石粉含量）的方法保證砂漿的工作性。
 
2.3 混凝土與砂漿流變學(xué)相關(guān)性的探討
機(jī)制砂中石粉含量變化顯著影響高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿的流變性能，但砂漿中的變化規(guī)律不一定能*反映混凝土工作性能的變化規(guī)律，為了進(jìn)一步揭示石粉對(duì)高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土工作性能的影響以及高強(qiáng)砂漿流變學(xué)參數(shù)變化規(guī)律與混凝土工作性能變化規(guī)律的關(guān)系，本節(jié)結(jié)合相應(yīng)高強(qiáng)機(jī)制砂混凝土坍落度與坍落擴(kuò)展度的測(cè)試，分析其與砂漿流變學(xué)參數(shù)的關(guān)系。
 

表 4 為砂漿相應(yīng)機(jī)制砂混凝土坍落度與擴(kuò)展度的測(cè)試結(jié)果。從表 4 結(jié)果可以看出，C1、C5 坍落度和擴(kuò)展度基本一致，但從實(shí)際拌制的過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)河砂混凝土的流動(dòng)性能要好于機(jī)制砂混凝土，并且拌合物黏性小，說(shuō)明在大坍落度和擴(kuò)展度的情況下，使用這兩個(gè)指標(biāo)很難判定混凝土的流動(dòng)性能，在砂漿流變學(xué)試驗(yàn)中 C1 的塑性黏度要明顯高于 C5，表明機(jī)制砂砂漿的黏度要明顯高于河砂砂漿；隨著機(jī)制砂中石粉含量的增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均下降，屈服應(yīng)力和塑性黏度上升，表明砂漿的流變學(xué)參數(shù)和混凝土坍落度擴(kuò)展度的試驗(yàn)有一定的趨勢(shì)相關(guān)性。但當(dāng)混凝土的原材料體系發(fā)生變化時(shí)，由于混凝土的組成以及顆粒之間的相互作用關(guān)系比砂漿更加復(fù)雜，使砂漿流變學(xué)參數(shù)與混凝土坍落度測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性變差。
 
3 結(jié)論
（1）對(duì)于高強(qiáng)機(jī)制砂砂漿而言，當(dāng)石粉含量低于 5%時(shí)，隨著石粉含量增加，高強(qiáng)砂漿的塑性黏度與屈服應(yīng)力變化不明顯；當(dāng)石粉含量大于 5%時(shí)，隨著石粉含量的提高，機(jī)制砂砂漿的塑性黏度與屈服應(yīng)力大幅提高。
（2）當(dāng)機(jī)制砂中石粉等質(zhì)量取代水泥作礦物摻合料時(shí)，適量的石粉可以降低高強(qiáng)砂漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度，在一定程度上改善高強(qiáng)砂漿的和易性。
（3）當(dāng)砂漿與混凝土原材料一致性較強(qiáng)時(shí)，砂漿的流變學(xué)參數(shù)與混凝土工作性測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)有較強(qiáng)的相關(guān)性，且流變學(xué)參數(shù)比坍落度和擴(kuò)展度更加敏感。
 
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