溫度對SCC膠凝體系中粉煤灰與礦粉漿體流變性能的影響＊

于連山

（中鐵二十一局集團第六工程有限公司，北京 101111）

1 研究背景

高速鐵路CRTSIII型板式無砟軌道結構中，充填層SCC（Self-Compacting Concrete，即自密實混凝土）的施工質量對整個結構的穩定性和耐久性有重要影響。鐵路施工常常面臨不同季節，環境溫度對充填層SCC的施工穩定性有重要影響。實踐表明，溫度的差異導致充填層SCC在冬季和夏季的施工性能差別很大，混凝土易于出現離析泌水等不良現象。

溫度升高可以加快水泥水化速率，從而加速漿體內部自由水的消耗，使得水化產物和水泥顆粒搭接形成網狀結構速率更快，漿體分散相體積分數增大，從而影響漿體的流變性能[1]。溫度對水泥懸浮分散體系中分散介質的黏度也會造成影響。除了分散相和分散介質之外，溫度對高效減水劑的吸附性能也有一定影響[2-3]。SCHMIDT等[4]認為，加入高電荷密度的聚羧酸減水劑后，溫度較低時，自密實混凝土具有良好的流動保持性；溫度較高時，自密實混凝土流動保持性有所降低。而對于低電荷密度聚羧酸減水劑，自密實混凝土流變性能則出現了相反的變化趨勢。FEYS等[5]證明了漿體流變特性和剪切速率間存在相關性，且黏度對剪切速率的依賴性很大程度取決于溫度。目前混凝土流變性能的調整主要通過摻加礦物摻和料、外加劑以及黏度改性劑等方法來進行，但在SCC流變性能環境敏感性方面仍然有待研究。因此，本文討論了溫度因素對水泥漿體中單摻粉煤灰、礦粉的復合漿體流變性能的影響，以期為充填層高穩定性施工提供試驗和理論依據。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

水泥（C）采用中國聯合水泥集團生產的基準水泥（P·I42.5）；粉煤灰（FA）為F類I級灰；礦粉（SL）級別為S95；高性能聚羧酸減水劑（SP），減水率29%；拌和所用水為自來水。

2.2 配合比

水膠比保持0.3，將粉煤灰及礦粉均等質量替代0、10%、20%、30%、40%、50%水泥。減水劑摻量為膠凝材料質量的0.3%。

2.3 試驗方法

2.3.1 流變試驗

試驗采用Anton Paar MCR 102流變儀進行流變測試。將膠凝材料混合均勻后，逐步加入減水劑和水進行攪拌，攪拌完成后分別在5℃、20℃及35℃環境下靜置5 min、60 min及120 min后進行流變測試。流變性能參數計算采用H-B模型和Bingham模型進行擬合分析。2種模型的表達公式如下：

式（1）（2）中：τ為剪切應力，Pa；τ0為2種流變模型擬合得到的屈服應力值，Pa；K為H-B模型擬合得到的塑性黏度系數，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為H-B模型中流變指數，用于表征新拌水泥凈漿剪切增稠或剪切變稀的程度；η為Bingham模型擬合得到的塑性黏度系數，Pa·s。

2.3.2 水化熱

不同配合比下的水泥凈漿體系水化放熱速率和放熱總量采用美國生產的TAM Air八通道等溫量熱儀進行測試。

3 結果及討論

3.1 流變曲線

圖1和圖2分別為5℃、20℃和35℃條件下50%FA摻量復合漿體的τ-γ曲線和η-γ曲線。

圖1 C-50%FA復合漿體τ-γ曲線

圖2 C-50%FA復合漿體η-γ曲線

在新拌時刻，溫度對相同配合比下漿體流變曲線無明顯影響。隨著靜置時間的延長，相同的剪切速率下，剪切應力值與表觀黏度值均隨著溫度的升高而逐漸增大；且靜置的時間越長，溫度對剪切應力值與表觀黏度值的影響程度越大。對于大多數環境條件下的漿體，表觀黏度在不同的溫度環境下均呈現先迅速減小后緩慢增大的變化趨勢。然而復合漿體靜置120 min后，當溫度升高至35℃時，η-γ曲線近似表現為反比例函數的形態，表觀黏度隨剪切速率呈全段減小的趨勢。

圖3和圖4分別為不同溫度下摻入50%SL后復合漿體的τ-γ曲線和η-γ曲線。對于τ-γ曲線，摻入礦粉后所有曲線均呈上凹趨勢。同一靜置時間下，溫度越高，同組漿體在相同剪切速率下的剪切應力及表觀黏度值均越大。靜置時間越長，漿體的流變參數值受溫度影響較顯著。與C-50%FA復合漿體相比，C-50%SL漿體在相同靜置時間及溫度下，屈服應力及塑性黏度較低。

圖3 C-50%SL復合漿體τ-γ曲線

圖4 C-50%SL復合漿體η-γ剪切速率曲線

3.2 屈服應力

圖5和圖6分別為不同摻量的FA及SL在不同的靜置時間下，各組漿體屈服應力隨溫度的變化情況圖。

圖5 溫度對C-FA漿體屈服應力的影響

圖6 溫度對C-SL漿體屈服應力的影響

由圖可得，漿體在相同靜置時間、相同溫度下，漿體屈服應力均隨FA或SL摻量的增加而降低。在相同靜置時間、相同摻量的條件下，漿體屈服應力均隨溫度上升而呈現增大趨勢，但隨FA或SL摻量的增加，漿體屈服應力的增長趨勢減弱。摻量較高（40%、50%）的漿體，在靜置5 min后，漿體屈服應力受溫度影響較小，尤其是C-SL漿體，當礦粉替代率為50%，漿體屈服應力隨著溫度的增長無明顯增長。然而隨著靜置時間的延長，各組漿體屈服應力在35℃時有較為顯著的增長。說明FA與SL的摻入降低了屈服應力在膠凝體系中的溫度敏感性。各組漿體的屈服應力在20—35℃間的增長幅度較5—20℃更加顯著。

3.3 塑性黏度

圖7和圖8分別為C-FA漿體及C-SL漿體在不同靜置時間及不同溫度下的塑性黏度變化情況。

圖7 溫度對C-FA漿體塑性黏度的影響

圖8 溫度對C-SL漿體塑性黏度的影響

由圖可以看出，對于相同靜置時間、同一摻量的漿體，塑性黏度值隨溫度的升高而增大。新拌C-SL漿體的塑性黏度值受溫度影響較小，尤其當SL摻量達到40%，溫度變化難以對漿體塑性黏度產生影響。此外，摻量較高的C-SL漿體，其塑性黏度值受靜置時間的影響程度大于溫度變化對其的影響。當SL摻量較低（10%、20%），復合漿體呈現出的塑性黏度與純水泥漿體接近。在相同靜置時間及溫度條件下，各組漿體的塑性黏度隨FA或SL摻量增加而下降，且摻量越大，塑性黏度值降低程度越大。與屈服應力變化情況不同，大多數漿體的塑性黏度表現為在5—20℃條件下的增長幅度更為顯著。比較C-FA漿體與C-SL漿體，前者在5—20℃條件下塑性黏度值的增長幅度總體較小，但在20—35℃下塑性黏度值上升幅度較C-SL漿體明顯。

4 水化對流變學參數的影響

水泥水化作用對新拌水泥基材料流變性能產生一定影響，一個可能的原因是水泥的水化進程會影響減水劑分子的分散作用[6]。隨著水泥水化的進行，水泥顆粒表面不斷生成新的水化產物，從而對減水劑分子產生一定包裹作用[7-8]。

圖9為3組膠凝體系在3個不同溫度環境下的前70 h和前2.5 h放熱速率曲線。由圖9可知，對于單摻各種膠凝材料復合漿體而言，隨著溫度的升高，水化放熱曲線峰值有較大幅度升高，放熱峰出現時間提前。純水泥組和C-30%FA組由35℃降至20℃時，水化放熱峰有明顯延后，而C-30%SL組變化不明顯。通過前2.5 h的水化過程可以發現，溫度的升高使得各組水泥漿體放熱速率在初始時刻顯著增長。

圖9 復合膠凝體系在不同溫度條件下的水化放熱速率曲線

圖10表示各組漿體屈服應力與誘導期結束時間的關系，圖11表示漿體塑性黏度與放熱峰值時間的關系。對于以上摻入不同礦物摻合料的自密實混凝土膠凝體系，流變參數值與水化放熱參數呈反向變化關系，即隨著溫度的升高，屈服應力和塑性黏度有所增加，而水化誘導期結束時間和放熱峰值時間逐漸減小。溫度的升高導致水化過程顯著加速。

圖10 各組漿體屈服應力與誘導期結束時間的關系

圖11 各組漿體塑性黏度與放熱峰值時間的關系

其中，復合漿體C-30%FA由5℃升至20℃時，屈服應力無顯著變化，同時其誘導結束時間下降程度較其余漿體更緩慢。對于純水泥組和C-30%SL組，誘導結束時間明顯降低，屈服應力升高也較為明顯。對于塑性黏度，3組漿體由20℃升至35℃，放熱峰值時間減小率明顯小于5—20℃。與此同時，它們從20℃升至35℃的塑性黏度值沒有明顯提高。由此可見，水化放熱速率與流變參數存在較為密切的聯系。

5 結論

隨著溫度升高，各組漿體在相同剪切速率下的剪切應力、表觀黏度、屈服應力及塑性黏度均有所增大。復合漿體的屈服應力總體在20℃上升至35℃過程中增加幅度較大，而塑性黏度在5—20℃下上升幅度較大。溫度的變化對漿體流變指數的變化影響較小。

粉煤灰和礦粉對純水泥漿體流變參數和流變指數的溫度敏感性具有削弱作用，即摻入50%粉煤灰或50%礦粉時，隨著環境溫度升高，漿體屈服應力、塑性黏度和流變指數變化幅度均小于純水泥漿，并且此時漿體剪切增稠程度仍然較高。

各膠凝體系的流變參數值與水化放熱參數呈反向變化關系，即隨溫度升高，屈服應力和塑性黏度增加，而水化誘導期結束時間和放熱峰值時間逐漸減小。