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超细粉煤灰对低水胶比复合胶凝材料浆体流动性的影响

  • 分类:行业新闻
  • 作者:水泥与混凝土杂志
  • 来源:混凝土与水泥制品杂志
  • 发布时间:2023-07-25
  • 访问量:

【概要描述】 近年来,具有优异力学性能和耐久性能的超高性能混凝土(以下简称UHPC)迅速发展,并开始在实际工程中大量应用。UHPC材料组成的显著特点之一是低水胶比的胶凝材料浆体的体积分数大。低水胶比的胶凝材料浆体较黏稠,变形量大,流动缓慢,导致UHPC的工作性与普通混凝土有明显差异。因此,探索低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性能及其影响因素是研究其工作性的基础。

  胶凝材料的组成是影响浆体流动性和流变行为的主要因素之一。粉煤灰是常用的矿物掺合料之一,在配制UHPC时,为了获得要求的力学性能,常使用超细粉煤灰或粉煤灰微珠。目前,超细粉煤灰对低水胶比复合水泥基材料浆体的流动性和流变行为的影响结论并未统一,影响机理也尚未明确。这是因为低水胶比的胶凝材料浆体具有剪切增稠或剪切稀化的特点,已偏离 Bingham模型描述的线性流变特性,而非线性的改进Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等参数的物理意义不明确,计算过程复杂,给实际应用带来困难。因此,关于低水胶比胶凝材料浆体的流变模型选择和优化还需进一步研究。

  近年来,复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系受到了学者们的广泛关注。复合胶凝材料浆体的流动度、流动速率及流变参数存在一定相关性。建立复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系,能从理论上研究复合胶凝材料浆体的工作性变化规律,为探索实用性更好的复合胶凝材料浆体提供理论基础。TREGGER等建立了浆体的流动度与屈服应力、流动时长与塑性黏度的关系式。MENG等[13]建立了适用于流动度为280 mm的新拌UHPC浆体塑性黏度与V型漏斗流出时间的关系式。然而,现阶段掺超细粉煤灰的低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能关系的相关研究仍相对较少。基于课题组前期研究结果,本文通过不同超细粉煤灰掺量、不同水胶比和不同硅灰掺量的复合胶凝材料浆体流动性和流变性测试,研究超细粉煤灰掺量的变化对低水胶比复合胶凝材料浆体流动性与流变性能的影响,分析流动性与流变性能的关系。

1.1   原材料

  水泥:符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求的P·Ⅰ42.5级水泥,比表面积为347 m2/kg。

  超细粉煤灰:符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求的超细粉煤灰,比表面积为3.69×103 m2/kg。

  硅灰:符合GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求的加密硅灰,比表面积为2.00×104 m2/kg。

      胶凝材料的化学组成见表1,粒径分布见图1。

减水剂:减水率为32%的聚羧酸高效减水剂。

      水:自来水。

1.2   试验设计

  试验水胶比为0.16和0.18,减水剂掺量固定为胶凝材料质量的0.8%,硅灰掺量为胶凝材料质量的6%和8%,试验配合比如表2所示,编号中C为超细粉煤灰的质量掺量(0、10%、20%、30%、40%)。

1.3   性能测试

  浆体的流动性测试按GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行,根据测得的流动度和流动停止时的时间计算浆体的平均流动速率。

  使用Brookfield RST-SST同轴双圆筒流变仪进行浆体流变性能测试。圆柱形转子的有效高度为37.5 mm,半径为12.5 mm,外筒内壁半径为13.56 mm,测试过程中外筒保持静止。流变性能测试过程中的转速变化见图2,测试总时长为5.5 min,0~25 s转速线性增加至50 r/min,25~205 s转速保持不变,随后转速以5 r/min呈阶梯式下降,每个转速台阶保持15 s,待扭矩稳定后读数。浆体的流变性能测试结果采用线性Bingham模型进行拟合,所得屈服应力均为负值,说明低水胶比的复合胶凝材料浆体具有非线性流变特性。据此,采用黎梦圆等提出的大流态混凝土指数型流变模型计算浆体的流变参数(包括增稠指数、黏度系数和屈服应力),当增稠指数大于1时,表明浆体具有剪切增稠特性。

浆体的流动性参数(流动度、流动时间和平均流动速率)和流变参数(黏度系数、屈服应力和增稠指数)如表3所示

2.1   超细粉煤灰掺量对浆体流动性与流变性能的影响

  浆体的流动性(流动度、流动时长及平均流动速率)与超细粉煤灰掺量的关系分别见图3~图5。

由表3和图3~图5可知,超细粉煤灰掺量及硅灰掺量相同时,水胶比提高,浆体的流动度增大,流动时长变短,平均流动速率提高。水胶比由0.16提高为0.18时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的流动度增量越小。

  相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的流动度增大,掺量超过20%后,流动度增幅逐渐变缓,浆体的流动时长先缩短,超过20%后逐渐延长(见图4),但总体变化不大;浆体的平均流动速率先提高后逐渐下降。硅灰掺量相同时,水胶比为0.18的浆体流动速率较大,但变化幅度较小,说明水胶比为0.16的浆体更黏稠,变形速率低。由于超细粉煤灰的粒径小于水泥,其比表面积约为水泥的10倍,掺加超细粉煤灰可以使胶凝材料的堆积密实度和平均比表面积增大,在超细粉煤灰掺量较低(<20%)时,以胶凝材料堆积密实度增大为主要影响因素,原包裹在胶凝材料颗粒之间的水分被挤出,增加了可用于润滑作用的水分,使浆体的流动性明显增加;在超细粉煤灰掺量较高(≥20%)时,胶凝材料的平均比表面积明显增大,胶凝材料颗粒表面覆盖的水膜厚度减小,水膜的润滑作用减弱,对浆体流动性的改善幅度降低。

  复合胶凝材料浆体的流变性能(黏度系数、屈服应力及增稠指数)与超细粉煤灰掺量的关系分别如图6~图8所示。

由图6和表3可知,0.16-6-C和0.18-8-C的黏度系数整体介于0.16-8-C与0.18-6-C的黏度系数之间;当超细粉煤灰掺量为0时,0.16-8-0的黏度系数为0.18-6-0的4倍左右,随着超细粉煤灰掺量的增加,这种差异逐渐缩小,当超细粉煤灰掺量达到40%时,0.16-8-40%与0.18-6-40%的黏度系数大致相等,但前者仍大于后者;0.16-6-C与0.18-6-C、0.16-8-C与0.18-8-C之间也存在类似现象。说明当超细粉煤灰掺量相同时,水胶比越低或硅灰掺量越高,浆体的黏度系数越大,浆体越黏稠,流动速率降低。浆体的黏度系数随超细粉煤灰掺量的增加而减小,且降幅变缓。超细粉煤灰为球状颗粒,其掺量增加使胶凝材料颗粒间的摩擦力减小,进而降低了浆体的黏度系数;降幅逐渐变缓则说明超细粉煤灰掺量越高,其降黏效果越弱。当超细粉煤灰掺量增至30%后,继续增加掺量,浆体的比表面积增大较多,胶凝材料颗粒表面的水膜厚度较薄,水膜的润滑作用减弱,浆体的黏度系数降低不明显。

  由图7和表3可知,水胶比减小或超细粉煤灰掺量增加,浆体的屈服应力增大,说明浆体的内聚力增大;硅灰掺量对浆体屈服应力的影响不明显,这与其颗粒粒径较小、掺量较少有关;硅灰掺量相同时,不同水胶比的浆体屈服应力差值随着超细粉煤灰掺量的增加逐渐变大,但当掺量超过30%后,差值趋于稳定。

  由图8和表3可知,各组浆体的增稠指数均大于1,说明浆体具有剪切增稠的特点,应使用非线性流变模型拟合计算其流变参数。随着超细粉煤灰掺量的增加,相同水胶比及硅灰掺量的浆体增稠指数逐渐提高,剪切增稠程度增加。当超细粉煤灰掺量小于30%时,随着硅灰掺量的增加,浆体的增稠指数减小;当超细粉煤灰掺量大于30%时,各组浆体的增稠指数较为接近,说明超细粉煤灰掺量为30%可能是其有效影响浆体流变性能的上限值。

2.2   浆体的流动性和流变性能的关系

  对不同超细粉煤灰掺量的浆体流动度与黏度系数试验结果分别进行拟合,见图9,分别得到浆体流动度-黏度系数的关系式,见式(1)~式(4)。

  由图9和式(1)~式(4)可知,拟合方差分别为0.86、0.97、0.69、0.61。浆体的流动度与黏度系数呈线性负相关。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的黏度系数越小;相同超细粉煤灰掺量时,流动度越大,浆体的黏度系数越小。上述规律均与文献的结果相符。

  由于未掺超细粉煤灰时,各组浆体的屈服应力均接近0,故对超细粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%的浆体流动度与屈服应力的试验结果分别进行拟合,见图10,分别得到浆体流动度-屈服应力的关系式,见式(5)~式(7)。

由图10和式(5)~式(7)可知,拟合方差分别为0.71、0.74、0.84。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的屈服应力越大;相同超细粉煤灰掺量时,流动度增大,浆体的屈服应力减小。相同流动度时,超细粉煤灰掺量增加,浆体的黏度系数减小,但屈服应力增大。可见,浆体流动度的大小同时受其黏度(黏度系数)和变形能力(屈服应力)的影响。

  不同的超细粉煤灰掺量时,各组浆体的屈服应力与流动时长和平均流动速率的关系见图11。

由图11可知,掺10%的超细粉煤灰后,浆体的屈服应力增大,平均流动速率提高,而流动时长缩短;随着超细粉煤灰掺量的增大,浆体的屈服应力不断增大,流动时长延长,而平均流动速率在掺量为10%~20%时提高,20%~40%时下降。由于浆体只在外加应力超过其屈服应力时开始流动,屈服应力越大,浆体越不容易发生变形,流动时长相应延长。

  图12为各组浆体的黏度系数与其流动时长和平均流动速率的关系。由图12可知,超细粉煤灰掺量由0增至20%时,浆体的黏度系数减小,平均流动速率逐渐提高,流动时长在掺量为0~10%时缩短,10%~20%时延长;继续提高超细粉煤灰掺量,浆体的平均流动速率下降,流动时长延长。可见,浆体的流动速度与其黏度相关(本文所得的黏度系数是与流体微分黏度有关的参数,可用以表征浆体的黏度),黏度系数减小,平均流动速率提高,而超细粉煤灰掺量超过30%后,浆体的平均流动速率下降幅度较大。说明过高的超细粉煤灰掺量可能导致浆体的黏度增大。综上,超细粉煤灰掺量低于20%时,浆体的黏度增幅与平均流动速率降幅明显,超过30%后流动时长明显延长,当掺量为20%~30%时,浆体整体具有相对较好的流动性与流变性能。

        (1)相同水胶比和硅灰掺量时,浆体的流动度随超细粉煤灰掺量的增加而增大,但增幅变缓,流动时长先缩短后逐渐延长,平均流动速率先提高后逐渐下降。

  (2)相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的黏度系数减小,且降幅变缓,屈服应力增大,剪切增稠性增强。

  (3)相同的超细粉煤灰掺量时,浆体的流动度-黏度系数和流动度-屈服应力均呈负相关,黏度系数或屈服应力减小,浆体的流动度增大;相同的流动度时,超细粉煤灰掺量较高时,浆体的黏度系数减小,屈服应力增大。浆体流动度同时受其黏度和变形能力的影响

超细粉煤灰对低水胶比复合胶凝材料浆体流动性的影响

【概要描述】 近年来,具有优异力学性能和耐久性能的超高性能混凝土(以下简称UHPC)迅速发展,并开始在实际工程中大量应用。UHPC材料组成的显著特点之一是低水胶比的胶凝材料浆体的体积分数大。低水胶比的胶凝材料浆体较黏稠,变形量大,流动缓慢,导致UHPC的工作性与普通混凝土有明显差异。因此,探索低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性能及其影响因素是研究其工作性的基础。

  胶凝材料的组成是影响浆体流动性和流变行为的主要因素之一。粉煤灰是常用的矿物掺合料之一,在配制UHPC时,为了获得要求的力学性能,常使用超细粉煤灰或粉煤灰微珠。目前,超细粉煤灰对低水胶比复合水泥基材料浆体的流动性和流变行为的影响结论并未统一,影响机理也尚未明确。这是因为低水胶比的胶凝材料浆体具有剪切增稠或剪切稀化的特点,已偏离 Bingham模型描述的线性流变特性,而非线性的改进Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等参数的物理意义不明确,计算过程复杂,给实际应用带来困难。因此,关于低水胶比胶凝材料浆体的流变模型选择和优化还需进一步研究。

  近年来,复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系受到了学者们的广泛关注。复合胶凝材料浆体的流动度、流动速率及流变参数存在一定相关性。建立复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系,能从理论上研究复合胶凝材料浆体的工作性变化规律,为探索实用性更好的复合胶凝材料浆体提供理论基础。TREGGER等建立了浆体的流动度与屈服应力、流动时长与塑性黏度的关系式。MENG等[13]建立了适用于流动度为280 mm的新拌UHPC浆体塑性黏度与V型漏斗流出时间的关系式。然而,现阶段掺超细粉煤灰的低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能关系的相关研究仍相对较少。基于课题组前期研究结果,本文通过不同超细粉煤灰掺量、不同水胶比和不同硅灰掺量的复合胶凝材料浆体流动性和流变性测试,研究超细粉煤灰掺量的变化对低水胶比复合胶凝材料浆体流动性与流变性能的影响,分析流动性与流变性能的关系。

1.1   原材料

  水泥:符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求的P·Ⅰ42.5级水泥,比表面积为347 m2/kg。

  超细粉煤灰:符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求的超细粉煤灰,比表面积为3.69×103 m2/kg。

  硅灰:符合GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求的加密硅灰,比表面积为2.00×104 m2/kg。

      胶凝材料的化学组成见表1,粒径分布见图1。

减水剂:减水率为32%的聚羧酸高效减水剂。

      水:自来水。

1.2   试验设计

  试验水胶比为0.16和0.18,减水剂掺量固定为胶凝材料质量的0.8%,硅灰掺量为胶凝材料质量的6%和8%,试验配合比如表2所示,编号中C为超细粉煤灰的质量掺量(0、10%、20%、30%、40%)。

1.3   性能测试

  浆体的流动性测试按GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行,根据测得的流动度和流动停止时的时间计算浆体的平均流动速率。

  使用Brookfield RST-SST同轴双圆筒流变仪进行浆体流变性能测试。圆柱形转子的有效高度为37.5 mm,半径为12.5 mm,外筒内壁半径为13.56 mm,测试过程中外筒保持静止。流变性能测试过程中的转速变化见图2,测试总时长为5.5 min,0~25 s转速线性增加至50 r/min,25~205 s转速保持不变,随后转速以5 r/min呈阶梯式下降,每个转速台阶保持15 s,待扭矩稳定后读数。浆体的流变性能测试结果采用线性Bingham模型进行拟合,所得屈服应力均为负值,说明低水胶比的复合胶凝材料浆体具有非线性流变特性。据此,采用黎梦圆等提出的大流态混凝土指数型流变模型计算浆体的流变参数(包括增稠指数、黏度系数和屈服应力),当增稠指数大于1时,表明浆体具有剪切增稠特性。

浆体的流动性参数(流动度、流动时间和平均流动速率)和流变参数(黏度系数、屈服应力和增稠指数)如表3所示

2.1   超细粉煤灰掺量对浆体流动性与流变性能的影响

  浆体的流动性(流动度、流动时长及平均流动速率)与超细粉煤灰掺量的关系分别见图3~图5。

由表3和图3~图5可知,超细粉煤灰掺量及硅灰掺量相同时,水胶比提高,浆体的流动度增大,流动时长变短,平均流动速率提高。水胶比由0.16提高为0.18时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的流动度增量越小。

  相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的流动度增大,掺量超过20%后,流动度增幅逐渐变缓,浆体的流动时长先缩短,超过20%后逐渐延长(见图4),但总体变化不大;浆体的平均流动速率先提高后逐渐下降。硅灰掺量相同时,水胶比为0.18的浆体流动速率较大,但变化幅度较小,说明水胶比为0.16的浆体更黏稠,变形速率低。由于超细粉煤灰的粒径小于水泥,其比表面积约为水泥的10倍,掺加超细粉煤灰可以使胶凝材料的堆积密实度和平均比表面积增大,在超细粉煤灰掺量较低(<20%)时,以胶凝材料堆积密实度增大为主要影响因素,原包裹在胶凝材料颗粒之间的水分被挤出,增加了可用于润滑作用的水分,使浆体的流动性明显增加;在超细粉煤灰掺量较高(≥20%)时,胶凝材料的平均比表面积明显增大,胶凝材料颗粒表面覆盖的水膜厚度减小,水膜的润滑作用减弱,对浆体流动性的改善幅度降低。

  复合胶凝材料浆体的流变性能(黏度系数、屈服应力及增稠指数)与超细粉煤灰掺量的关系分别如图6~图8所示。

由图6和表3可知,0.16-6-C和0.18-8-C的黏度系数整体介于0.16-8-C与0.18-6-C的黏度系数之间;当超细粉煤灰掺量为0时,0.16-8-0的黏度系数为0.18-6-0的4倍左右,随着超细粉煤灰掺量的增加,这种差异逐渐缩小,当超细粉煤灰掺量达到40%时,0.16-8-40%与0.18-6-40%的黏度系数大致相等,但前者仍大于后者;0.16-6-C与0.18-6-C、0.16-8-C与0.18-8-C之间也存在类似现象。说明当超细粉煤灰掺量相同时,水胶比越低或硅灰掺量越高,浆体的黏度系数越大,浆体越黏稠,流动速率降低。浆体的黏度系数随超细粉煤灰掺量的增加而减小,且降幅变缓。超细粉煤灰为球状颗粒,其掺量增加使胶凝材料颗粒间的摩擦力减小,进而降低了浆体的黏度系数;降幅逐渐变缓则说明超细粉煤灰掺量越高,其降黏效果越弱。当超细粉煤灰掺量增至30%后,继续增加掺量,浆体的比表面积增大较多,胶凝材料颗粒表面的水膜厚度较薄,水膜的润滑作用减弱,浆体的黏度系数降低不明显。

  由图7和表3可知,水胶比减小或超细粉煤灰掺量增加,浆体的屈服应力增大,说明浆体的内聚力增大;硅灰掺量对浆体屈服应力的影响不明显,这与其颗粒粒径较小、掺量较少有关;硅灰掺量相同时,不同水胶比的浆体屈服应力差值随着超细粉煤灰掺量的增加逐渐变大,但当掺量超过30%后,差值趋于稳定。

  由图8和表3可知,各组浆体的增稠指数均大于1,说明浆体具有剪切增稠的特点,应使用非线性流变模型拟合计算其流变参数。随着超细粉煤灰掺量的增加,相同水胶比及硅灰掺量的浆体增稠指数逐渐提高,剪切增稠程度增加。当超细粉煤灰掺量小于30%时,随着硅灰掺量的增加,浆体的增稠指数减小;当超细粉煤灰掺量大于30%时,各组浆体的增稠指数较为接近,说明超细粉煤灰掺量为30%可能是其有效影响浆体流变性能的上限值。

2.2   浆体的流动性和流变性能的关系

  对不同超细粉煤灰掺量的浆体流动度与黏度系数试验结果分别进行拟合,见图9,分别得到浆体流动度-黏度系数的关系式,见式(1)~式(4)。

  由图9和式(1)~式(4)可知,拟合方差分别为0.86、0.97、0.69、0.61。浆体的流动度与黏度系数呈线性负相关。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的黏度系数越小;相同超细粉煤灰掺量时,流动度越大,浆体的黏度系数越小。上述规律均与文献的结果相符。

  由于未掺超细粉煤灰时,各组浆体的屈服应力均接近0,故对超细粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%的浆体流动度与屈服应力的试验结果分别进行拟合,见图10,分别得到浆体流动度-屈服应力的关系式,见式(5)~式(7)。

由图10和式(5)~式(7)可知,拟合方差分别为0.71、0.74、0.84。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的屈服应力越大;相同超细粉煤灰掺量时,流动度增大,浆体的屈服应力减小。相同流动度时,超细粉煤灰掺量增加,浆体的黏度系数减小,但屈服应力增大。可见,浆体流动度的大小同时受其黏度(黏度系数)和变形能力(屈服应力)的影响。

  不同的超细粉煤灰掺量时,各组浆体的屈服应力与流动时长和平均流动速率的关系见图11。

由图11可知,掺10%的超细粉煤灰后,浆体的屈服应力增大,平均流动速率提高,而流动时长缩短;随着超细粉煤灰掺量的增大,浆体的屈服应力不断增大,流动时长延长,而平均流动速率在掺量为10%~20%时提高,20%~40%时下降。由于浆体只在外加应力超过其屈服应力时开始流动,屈服应力越大,浆体越不容易发生变形,流动时长相应延长。

  图12为各组浆体的黏度系数与其流动时长和平均流动速率的关系。由图12可知,超细粉煤灰掺量由0增至20%时,浆体的黏度系数减小,平均流动速率逐渐提高,流动时长在掺量为0~10%时缩短,10%~20%时延长;继续提高超细粉煤灰掺量,浆体的平均流动速率下降,流动时长延长。可见,浆体的流动速度与其黏度相关(本文所得的黏度系数是与流体微分黏度有关的参数,可用以表征浆体的黏度),黏度系数减小,平均流动速率提高,而超细粉煤灰掺量超过30%后,浆体的平均流动速率下降幅度较大。说明过高的超细粉煤灰掺量可能导致浆体的黏度增大。综上,超细粉煤灰掺量低于20%时,浆体的黏度增幅与平均流动速率降幅明显,超过30%后流动时长明显延长,当掺量为20%~30%时,浆体整体具有相对较好的流动性与流变性能。

        (1)相同水胶比和硅灰掺量时,浆体的流动度随超细粉煤灰掺量的增加而增大,但增幅变缓,流动时长先缩短后逐渐延长,平均流动速率先提高后逐渐下降。

  (2)相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的黏度系数减小,且降幅变缓,屈服应力增大,剪切增稠性增强。

  (3)相同的超细粉煤灰掺量时,浆体的流动度-黏度系数和流动度-屈服应力均呈负相关,黏度系数或屈服应力减小,浆体的流动度增大;相同的流动度时,超细粉煤灰掺量较高时,浆体的黏度系数减小,屈服应力增大。浆体流动度同时受其黏度和变形能力的影响

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 近年来,具有优异力学性能和耐久性能的超高性能混凝土(以下简称UHPC)迅速发展,并开始在实际工程中大量应用。UHPC材料组成的显著特点之一是低水胶比的胶凝材料浆体的体积分数大。低水胶比的胶凝材料浆体较黏稠,变形量大,流动缓慢,导致UHPC的工作性与普通混凝土有明显差异。因此,探索低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性能及其影响因素是研究其工作性的基础。

  胶凝材料的组成是影响浆体流动性和流变行为的主要因素之一。粉煤灰是常用的矿物掺合料之一,在配制UHPC时,为了获得要求的力学性能,常使用超细粉煤灰或粉煤灰微珠。目前,超细粉煤灰对低水胶比复合水泥基材料浆体的流动性和流变行为的影响结论并未统一,影响机理也尚未明确。这是因为低水胶比的胶凝材料浆体具有剪切增稠或剪切稀化的特点,已偏离 Bingham模型描述的线性流变特性,而非线性的改进Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等参数的物理意义不明确,计算过程复杂,给实际应用带来困难。因此,关于低水胶比胶凝材料浆体的流变模型选择和优化还需进一步研究。

  近年来,复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系受到了学者们的广泛关注。复合胶凝材料浆体的流动度、流动速率及流变参数存在一定相关性。建立复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能的关系,能从理论上研究复合胶凝材料浆体的工作性变化规律,为探索实用性更好的复合胶凝材料浆体提供理论基础。TREGGER等建立了浆体的流动度与屈服应力、流动时长与塑性黏度的关系式。MENG等[13]建立了适用于流动度为280 mm的新拌UHPC浆体塑性黏度与V型漏斗流出时间的关系式。然而,现阶段掺超细粉煤灰的低水胶比复合胶凝材料浆体的流动性与流变性能关系的相关研究仍相对较少。基于课题组前期研究结果,本文通过不同超细粉煤灰掺量、不同水胶比和不同硅灰掺量的复合胶凝材料浆体流动性和流变性测试,研究超细粉煤灰掺量的变化对低水胶比复合胶凝材料浆体流动性与流变性能的影响,分析流动性与流变性能的关系。

1.1   原材料

  水泥:符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求的P·Ⅰ42.5级水泥,比表面积为347 m2/kg。

  超细粉煤灰:符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》要求的超细粉煤灰,比表面积为3.69×103 m2/kg。

  硅灰:符合GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》要求的加密硅灰,比表面积为2.00×104 m2/kg。

      胶凝材料的化学组成见表1,粒径分布见图1。

减水剂:减水率为32%的聚羧酸高效减水剂。

      水:自来水。

1.2   试验设计

  试验水胶比为0.16和0.18,减水剂掺量固定为胶凝材料质量的0.8%,硅灰掺量为胶凝材料质量的6%和8%,试验配合比如表2所示,编号中C为超细粉煤灰的质量掺量(0、10%、20%、30%、40%)。

1.3   性能测试

  浆体的流动性测试按GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行,根据测得的流动度和流动停止时的时间计算浆体的平均流动速率。

  使用Brookfield RST-SST同轴双圆筒流变仪进行浆体流变性能测试。圆柱形转子的有效高度为37.5 mm,半径为12.5 mm,外筒内壁半径为13.56 mm,测试过程中外筒保持静止。流变性能测试过程中的转速变化见图2,测试总时长为5.5 min,0~25 s转速线性增加至50 r/min,25~205 s转速保持不变,随后转速以5 r/min呈阶梯式下降,每个转速台阶保持15 s,待扭矩稳定后读数。浆体的流变性能测试结果采用线性Bingham模型进行拟合,所得屈服应力均为负值,说明低水胶比的复合胶凝材料浆体具有非线性流变特性。据此,采用黎梦圆等提出的大流态混凝土指数型流变模型计算浆体的流变参数(包括增稠指数、黏度系数和屈服应力),当增稠指数大于1时,表明浆体具有剪切增稠特性。

浆体的流动性参数(流动度、流动时间和平均流动速率)和流变参数(黏度系数、屈服应力和增稠指数)如表3所示

2.1   超细粉煤灰掺量对浆体流动性与流变性能的影响

  浆体的流动性(流动度、流动时长及平均流动速率)与超细粉煤灰掺量的关系分别见图3~图5。

由表3和图3~图5可知,超细粉煤灰掺量及硅灰掺量相同时,水胶比提高,浆体的流动度增大,流动时长变短,平均流动速率提高。水胶比由0.16提高为0.18时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的流动度增量越小。

  相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的流动度增大,掺量超过20%后,流动度增幅逐渐变缓,浆体的流动时长先缩短,超过20%后逐渐延长(见图4),但总体变化不大;浆体的平均流动速率先提高后逐渐下降。硅灰掺量相同时,水胶比为0.18的浆体流动速率较大,但变化幅度较小,说明水胶比为0.16的浆体更黏稠,变形速率低。由于超细粉煤灰的粒径小于水泥,其比表面积约为水泥的10倍,掺加超细粉煤灰可以使胶凝材料的堆积密实度和平均比表面积增大,在超细粉煤灰掺量较低(<20%)时,以胶凝材料堆积密实度增大为主要影响因素,原包裹在胶凝材料颗粒之间的水分被挤出,增加了可用于润滑作用的水分,使浆体的流动性明显增加;在超细粉煤灰掺量较高(≥20%)时,胶凝材料的平均比表面积明显增大,胶凝材料颗粒表面覆盖的水膜厚度减小,水膜的润滑作用减弱,对浆体流动性的改善幅度降低。

  复合胶凝材料浆体的流变性能(黏度系数、屈服应力及增稠指数)与超细粉煤灰掺量的关系分别如图6~图8所示。

由图6和表3可知,0.16-6-C和0.18-8-C的黏度系数整体介于0.16-8-C与0.18-6-C的黏度系数之间;当超细粉煤灰掺量为0时,0.16-8-0的黏度系数为0.18-6-0的4倍左右,随着超细粉煤灰掺量的增加,这种差异逐渐缩小,当超细粉煤灰掺量达到40%时,0.16-8-40%与0.18-6-40%的黏度系数大致相等,但前者仍大于后者;0.16-6-C与0.18-6-C、0.16-8-C与0.18-8-C之间也存在类似现象。说明当超细粉煤灰掺量相同时,水胶比越低或硅灰掺量越高,浆体的黏度系数越大,浆体越黏稠,流动速率降低。浆体的黏度系数随超细粉煤灰掺量的增加而减小,且降幅变缓。超细粉煤灰为球状颗粒,其掺量增加使胶凝材料颗粒间的摩擦力减小,进而降低了浆体的黏度系数;降幅逐渐变缓则说明超细粉煤灰掺量越高,其降黏效果越弱。当超细粉煤灰掺量增至30%后,继续增加掺量,浆体的比表面积增大较多,胶凝材料颗粒表面的水膜厚度较薄,水膜的润滑作用减弱,浆体的黏度系数降低不明显。

  由图7和表3可知,水胶比减小或超细粉煤灰掺量增加,浆体的屈服应力增大,说明浆体的内聚力增大;硅灰掺量对浆体屈服应力的影响不明显,这与其颗粒粒径较小、掺量较少有关;硅灰掺量相同时,不同水胶比的浆体屈服应力差值随着超细粉煤灰掺量的增加逐渐变大,但当掺量超过30%后,差值趋于稳定。

  由图8和表3可知,各组浆体的增稠指数均大于1,说明浆体具有剪切增稠的特点,应使用非线性流变模型拟合计算其流变参数。随着超细粉煤灰掺量的增加,相同水胶比及硅灰掺量的浆体增稠指数逐渐提高,剪切增稠程度增加。当超细粉煤灰掺量小于30%时,随着硅灰掺量的增加,浆体的增稠指数减小;当超细粉煤灰掺量大于30%时,各组浆体的增稠指数较为接近,说明超细粉煤灰掺量为30%可能是其有效影响浆体流变性能的上限值。

2.2   浆体的流动性和流变性能的关系

  对不同超细粉煤灰掺量的浆体流动度与黏度系数试验结果分别进行拟合,见图9,分别得到浆体流动度-黏度系数的关系式,见式(1)~式(4)。

  由图9和式(1)~式(4)可知,拟合方差分别为0.86、0.97、0.69、0.61。浆体的流动度与黏度系数呈线性负相关。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的黏度系数越小;相同超细粉煤灰掺量时,流动度越大,浆体的黏度系数越小。上述规律均与文献的结果相符。

  由于未掺超细粉煤灰时,各组浆体的屈服应力均接近0,故对超细粉煤灰掺量为10%、20%、30%、40%的浆体流动度与屈服应力的试验结果分别进行拟合,见图10,分别得到浆体流动度-屈服应力的关系式,见式(5)~式(7)。

由图10和式(5)~式(7)可知,拟合方差分别为0.71、0.74、0.84。相同流动度时,超细粉煤灰掺量越高,浆体的屈服应力越大;相同超细粉煤灰掺量时,流动度增大,浆体的屈服应力减小。相同流动度时,超细粉煤灰掺量增加,浆体的黏度系数减小,但屈服应力增大。可见,浆体流动度的大小同时受其黏度(黏度系数)和变形能力(屈服应力)的影响。

  不同的超细粉煤灰掺量时,各组浆体的屈服应力与流动时长和平均流动速率的关系见图11。

由图11可知,掺10%的超细粉煤灰后,浆体的屈服应力增大,平均流动速率提高,而流动时长缩短;随着超细粉煤灰掺量的增大,浆体的屈服应力不断增大,流动时长延长,而平均流动速率在掺量为10%~20%时提高,20%~40%时下降。由于浆体只在外加应力超过其屈服应力时开始流动,屈服应力越大,浆体越不容易发生变形,流动时长相应延长。

  图12为各组浆体的黏度系数与其流动时长和平均流动速率的关系。由图12可知,超细粉煤灰掺量由0增至20%时,浆体的黏度系数减小,平均流动速率逐渐提高,流动时长在掺量为0~10%时缩短,10%~20%时延长;继续提高超细粉煤灰掺量,浆体的平均流动速率下降,流动时长延长。可见,浆体的流动速度与其黏度相关(本文所得的黏度系数是与流体微分黏度有关的参数,可用以表征浆体的黏度),黏度系数减小,平均流动速率提高,而超细粉煤灰掺量超过30%后,浆体的平均流动速率下降幅度较大。说明过高的超细粉煤灰掺量可能导致浆体的黏度增大。综上,超细粉煤灰掺量低于20%时,浆体的黏度增幅与平均流动速率降幅明显,超过30%后流动时长明显延长,当掺量为20%~30%时,浆体整体具有相对较好的流动性与流变性能。

        (1)相同水胶比和硅灰掺量时,浆体的流动度随超细粉煤灰掺量的增加而增大,但增幅变缓,流动时长先缩短后逐渐延长,平均流动速率先提高后逐渐下降。

  (2)相同水胶比和硅灰掺量时,随着超细粉煤灰掺量的增加,浆体的黏度系数减小,且降幅变缓,屈服应力增大,剪切增稠性增强。

  (3)相同的超细粉煤灰掺量时,浆体的流动度-黏度系数和流动度-屈服应力均呈负相关,黏度系数或屈服应力减小,浆体的流动度增大;相同的流动度时,超细粉煤灰掺量较高时,浆体的黏度系数减小,屈服应力增大。浆体流动度同时受其黏度和变形能力的影响

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