石粉對水泥凈漿流變性能的影響研究?

楊奕菲，劉嘉良，鞏 璇，周理安，李 飛

（北京建筑大學 北京節能減排與城鄉可持續發展省部共建協同創新中心，北京100044）

0 引言

隨著我國基建事業的發展，粉煤灰、?；郀t礦渣礦粉等活性摻合料供應日益緊張，同時隨著機制砂的應用，產生了大量石粉，從而加重環境負擔。本文開展了石粉對水泥基材料流變性能的影響研究，旨在解決機制砂石粉廢料的處理和活性礦物摻合料供應短缺的問題。已有研究［1－2］表明，石灰石粉摻入混凝土中可以起到良好的密實填充作用，對水泥基材料工作性的改善作用顯著。但目前研究大多集中在石灰石粉，對花崗巖等其他巖性的石粉研究較少。本文選取五種不同類型的石粉，圍繞其對水泥凈漿性能的影響展開研究。

1 試驗

1.1 試驗原材料

本試驗中使用的水泥為北京金隅公司生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥性能符合GB175－2007 《通用硅酸水泥》 要求，基本性能試驗結果見表1。

表1 水泥基本性能試驗結果Table 1 Basic performance test results of cement

本試驗用石粉由五種不同的巖石經球磨機粉磨而成，分別為石灰巖、白云巖、凝灰巖及兩種不同花崗巖（本文記為花崗巖a、花崗巖b 以區分）。石粉MB 值采用GB／T30190－2013 《石灰石粉混凝土》 的方法測定，測試結果如表2 所示。

表2 石粉MB 值測試結果Table 2 MB value test results of stone powder

本試驗用外加劑為聚羧酸減水劑，固含量為20%。

1.2 試驗方法

（1） 凝結時間： 含石粉的水泥凈漿的凝結時間按（GB／T1346－2011） 《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》 測定。

（2） 流動度： 參照（GB／T8077－2012） 《混凝土外加劑均質性試驗方法》 分別按20%的摻量替代水泥做凈漿試驗，研究石粉對水泥凈漿流動度及經時流動度損失的影響。

（3） 流變性能： 采用美國BROOKFIELD 生產的RST－SST 型Rheo3000 旋轉流變儀，測試得到剪切應力隨剪切速率的變化趨勢，測試的過程主要分為兩個階段： 預剪切階段、數據測試階段。進行預剪切的目的是讓各個凈漿在流變測試前應保持一致的剪切狀態。在測試凈漿剪切應力曲線時，測試過程中轉子剪切速率要在第一個250 s 內先由5 r／min 加速到150 r／min，在第二個250 s 內由150 r／min降至5 r／min，其中第一個250 s 為預剪切階段，第二個250 s 為數據采集階段，每10 s 捕捉一個數據點，由此可得剪切速率－剪切應力的上行和下行關系曲線，對下行曲線的試驗數據使用常見的賓漢姆流變模型進行擬合。

2 結果與討論

2.1 石粉對凈漿流動度的影響

為研究不同巖性石粉對新拌水泥凈漿的流動度以及經時流動損失的影響，試驗固定配合比不變，以石粉的巖性種類為變量，對比石灰巖、花崗巖a、花崗巖b、白云巖、凝灰巖五種不同巖性石粉水泥凈漿流動度的差異，其中石粉摻量均為20%，試驗配合比設計及試驗結果如表3 所示。

表3 水泥凈漿配合比及試驗結果Table 3 Mix proportion of cement paste and test results

結合表3 和圖1 可知，石灰巖等鈣質石粉較凝灰巖、花崗巖等硅質石粉，MB 值總體偏低，鈣質石粉凈漿流動度明顯高于硅質石粉。這與李科成等人的研究一致［3］。當不摻加石粉時，凈漿流動度為165 mm，摻加了20%石灰石粉和白云石粉時，流動度有不同程度的增加，利于凈漿的流動； 而當凝灰巖、花崗巖a 及花崗巖b 等石粉加入時，流動度均有不同程度的下降，這是因為其在拌合時會吸附凈漿中的水和減水劑，導致凈漿變稠，不利于凈漿流動。而白云巖石粉和石灰巖石粉吸附性較小，且粉粒表面較為圓滑，在新拌凈漿中起到“滾珠軸承” 的作用，利于凈漿流動。MB 值的大小可以反映石粉作為礦物摻合料在新拌凈漿中的吸附能力。從而影響凈漿的流動度與塑性黏度［4］。

石灰石粉對減水劑的吸附作用較弱，可使水泥顆粒更加分散，凈漿絮凝結構減少，并且抑制了水泥水化初期的交叉連生［5］，石粉－水泥凈漿的初始流動度較基準組提高了7%。隨著時間的增加，石灰巖石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為160 mm、135 mm、120 mm 和100 mm，流動度較初始狀態分別下降了9.6%、23.7%、32.2%、43.5%。這主要是由于石灰巖石粉的填充和分散作用使有效水膠比增大，水泥顆粒更加分散，減少了凈漿絮凝結構，提高了初始流動度； 而石粉摻量過高時上述促進作用有所減弱［6］。白云巖與石灰巖石粉對于凈漿的影響趨勢是相同的，初始流動度較基準組提高了7.9%，隨時間的增加，凈漿流動度也同樣呈下降趨勢。

隨著花崗巖a 石粉摻量的增加，復合凈漿初始流動度下降十分明顯，較基準組下降了15%?；◢弾r石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為112 mm、100 mm、95 mm和85 mm。較初始狀態分別下降了20%、29%、32%、39%。初始流動度較基準組降低了15%，這可能與石粉的組成和顆粒形貌有關，導致經時損失較大?；◢弾rb 對于凈漿的影響與花崗巖a 趨勢相同，初始流動度降低，隨時間變化的經時流動度也降低?；◢弾r石粉含有較多云母，對減水劑吸附量大，使復合膠凝材料凈漿工作性能大幅度降低，因此花崗巖石粉摻量不宜過大。

凝灰巖石粉的摻入同樣降低了凈漿的初始流動度，較基準組下降了12%。凝灰巖石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為115 mm、108 mm、103 mm 和95 mm。較初始狀態分別下降了21%，26%，29%，34%。凝灰巖石粉粒徑較大，顆粒分布較寬，粉體堆積時不緊密，因此復合膠凝材料凈漿初始流動度降低，但凝灰巖石粉的減水劑吸附率隨時間增加，導致復合膠凝材料凈漿的經時流動度降低。

如圖1 所示，對比5 種石粉凈漿的經時流動度變化，石灰巖、白云巖兩種石粉凈漿較其他三種石粉初始流動度較高，但經時損失較大，在90 min后流動度反而低于花崗巖b。凝灰巖及兩種花崗巖石粉凈漿雖然初始流動度較低，但經時變化較為穩定，在2 h 內的大小關系并未改變。

2.2 石粉對凈漿流變特性的影響

水泥凈漿流變性能測試結果如圖2 所示，可以看出： 不同巖性石粉對凈漿的剪切應力－剪切速率曲線的影響是不同的。五種巖性的石粉剪切應力均隨剪切速率增大而增大，石灰巖石粉與白云巖石粉顆粒間的斥力作用較強，顆粒更易于分散，可大幅減少水泥凈漿中的絮凝結構，降低水泥凈漿塑性黏度和屈服應力［7］。

圖2 石粉巖性對凈漿剪切應力的影響Fig.2 Effect of lithology of stone powder on shear stress of slurry

由圖3、圖4 可知，石粉－水泥凈漿在一定程度上，其MB 值是與屈服應力呈線性關系的，擬合過程中的相關系數為0.85，MB 值與塑性黏度擬合過程中，相關系數為0.95，說明相關性較大，石粉的吸附性對凈漿的屈服應力與塑性黏度是有影響的，可以通過控制石粉的MB 值來達到控制凈漿屈服應力和塑性黏度在一定范圍內的大小，擇優選擇石粉去替代水泥在凈漿中的作用。

圖3 石粉MB 值對凈漿屈服應力的影響Fig.3 Effect of MB value of stone powder on yield stress of slurry

圖4 石粉MB 值對凈漿塑性黏度的影響Fig.4 Effect of MB value of stone powder on plastic viscosity of slurry

石灰巖石粉的加入使凈漿的屈服應力與塑性黏度有較大幅度降低。白云巖與石灰巖石粉對于凈漿的影響趨勢相同，但總體沒有石灰巖石粉對凈漿兩個流變參數變化大?；◢弾ra 和花崗巖b 石粉對石粉－水泥凈漿的屈服應力與塑性黏度的降低幅度較大。凝灰巖石粉－水泥凈漿相較于純水泥凈漿，屈服應力下降，而塑性黏度有所增加。

凈漿的觸變性可以用觸變環面積的大小表征，反映凈漿產生流動時破壞絮凝結構和網狀結構所需能量的大?。?］。摻加20%花崗巖a 石粉的凈漿的流變曲線和觸變環面積如表4 和圖5 所示。由圖可知，隨著時間的增長，摻量20%的花崗巖石粉－水泥凈漿的觸變環面積呈現逐漸增大的趨勢。原因如下： 一方面，由于石粉填充在水泥顆粒之間，導致凈漿內部顆粒間距變小結構更為緊湊，水泥顆粒和石粉顆粒在范德華力和靜電作用下，更容易形成絮凝結構和網狀結構； 另外，花崗巖石粉較大的比表面積，為水泥凈漿內部的網狀結構提供了更多的接觸點，使得水泥凈漿內部的絮凝結構更加密實穩固。凈漿內部的絮凝結構和網狀結構越復雜，凈漿流動時破壞絮凝結構和網狀結構所需要的能量越多，凈漿的觸變性越強。

圖5 花崗巖a－石粉凈漿兩小時經時流變特性變化Fig.5 Variation of rheological properties of cement paste with granite a in two hours

表4 花崗巖a－石粉凈漿觸變環面積Table 4 Thixotropic ring area of cement paste with granite a

如圖6 可知，石灰巖和白云巖石粉使凈漿的初凝和終凝時間均低于基準組。這與魏澤雨［9］等人的研究結果一致?；◢弾ra 和凝灰巖以及花崗巖b 石粉延長了凈漿的初凝時間，終凝時間略有縮短。石灰巖石粉可降低水泥水化反應的壁壘，促進早期水化產物的生長和沉淀，又可與水泥中的鋁相發生化學反應，在晶核作用和化學作用共同影響下，石灰巖石粉及白云巖石粉縮短了凈漿的凝結時間，隨石粉細度增大，晶核作用和化學作用增強，進一步縮短了凝結時間［10］； 凝灰巖、花崗巖a 和花崗巖b 石粉自身活性較低，等質量替代水泥后水化產物C－S－H 凝膠減少，導致初凝結時間增加。進而表現為石灰巖和白云巖的加入縮短了初、終凝時間，凝灰巖、兩種花崗巖石粉的加入延長了初凝時間，對終凝時間影響不大。

圖6 不同石粉對凈漿凝結時間的影響F ig.6 Effect of different stone powder on setting time of clean slurry

3 結論

本文通過試驗分析不同巖性石粉對新拌水泥凈漿性能的影響，得出以下結論：

（1） 石粉MB 值越大，其吸附性越強，凈漿流動度隨之減小，且水泥凈漿的塑性黏度和屈服應力與石粉MB 值存在良好的線性相關性。

（2） 摻入20%的石灰巖、白云巖石粉可以增大凈漿初始流動度，摻入20%的凝灰巖和花崗巖會降低凈漿初始流動度，但摻石灰巖和白云巖石粉的凈漿流動度經時損失較高。

（3） 石灰石粉、白云石粉的加入可以縮短復合凈漿的初凝時間與終凝時間?；◢徥? 石粉、凝灰石粉和花崗巖b 石粉會延長復合凈漿的初凝時間。