謝友均，陳小波，馬昆林，龍廣成

（1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.中南大學 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075；3.中南大學 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075）

隨著現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展，石灰石粉作為混凝土的礦物摻和料，已經(jīng)越來越受到人們的重視.石灰石粉的主要成分是CaCO3，國內(nèi)外研究表明，雖然石灰石粉活性較低，但摻入到混凝土中能對混凝土性能起到一定的改善作用［1－4］.目前，石灰石粉作為非活性摻和料，與粉煤灰、礦渣和硅灰等活性礦物摻和料共同使用于混凝土材料中，特別使用于自密實混凝土和一些高性能注漿材料中，它們的使用必然會對新拌漿體的流變性能產(chǎn)生影響.新拌混凝土的流變性能是混凝土工作性能的本質(zhì)表現(xiàn)，對混凝土的施工質(zhì)量和后期各項性能將產(chǎn)生非常重要的影響［5－7］.已有研究結(jié)果表明，石灰石粉和粉煤灰顆粒的形狀效應、顆粒填充效應和顆粒表面狀態(tài)效應等因素對漿體的屈服應力和塑性黏度有重要影響［8－10］，同時超塑化劑摻量對漿體的流變指數(shù)有重要影響［11］.實踐表明，在混凝土的生產(chǎn)攪拌、輸送或澆筑等過程中，混凝土拌和物的流變特性將會隨著剪切速率的變化發(fā)生顯著改變，即所謂拌和物發(fā)生剪切變稀或剪切增稠現(xiàn)象［12－13］.剪切變稀即是新拌混凝土的塑性黏度隨剪切速率的增大而降低，在拌和物流動性增加的同時易使其抗離析性降低，從而使混凝土在澆筑過程中出現(xiàn)離析、泌水等不良現(xiàn)象，導致硬化混凝土性能降低；剪切增稠是拌和物的塑性黏度隨著剪切速率的增大而增大，在此過程中由于拌和物的黏度增大，需要更大的剪切速率才能使其流動，因而會對混凝土的澆筑以及混凝土的泵送和攪拌造成不利影響［5，14－15］.因此，開展礦物摻和料對混凝土流變性能影響的研究對于掌握混凝土工作性，特別是自密實混凝土和水泥基注漿材料的工作性具有重要意義.

為更好地掌握礦物摻和料對新拌混凝土（漿體）剪切性能的影響規(guī)律，本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，研究了石灰石粉摻量對水泥－粉煤灰漿體流變特性的影響，研究結(jié)果對自密實混凝土和高性能灌注用水泥漿的配制具有一定指導意義.

1 試驗

1.1 原材料及試驗配合比

水泥（C）：四川峨勝水泥股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰（FA）：成都博磊資源循環(huán)開發(fā)有限公司的F 類粉煤灰；石灰石粉（LS）：四川樂山九里鎮(zhèn)生產(chǎn)的2 種細度石灰石粉（重質(zhì)碳酸鈣粉）LS1 和LS2，密度分別為2 670，2 730kg／m3，比表面積分別為472，789 m2／kg，CaCO3含量（質(zhì)量分數(shù)）＞96.8%；外加劑（J）：北京建工生產(chǎn)的聚羧酸類高效減水劑.表1為水泥主要技術(shù)指標，表2 為粉煤灰主要技術(shù)指標，表3 為水泥、粉煤灰和石灰石粉的粒度分布測試結(jié)果.

表1 水泥的主要技術(shù)指標Table 1 Properties of cement

表2 粉煤灰主要技術(shù)指標Table 2 Properties of fly ash

表3 水泥、粉煤灰和石灰石粉粒徑分布及比表面積Table 3 Particle size distribution and specific surface area of cement，fly ash and limestone powder

1.2 試驗方法

試驗主要考慮不同剪切速率下，石灰石粉對水泥－粉煤灰漿體流變特性的影響，試驗過程中各試樣保持水粉比（水的質(zhì)量與水泥、粉煤灰和石灰石粉總質(zhì)量之比）0.3不變（各試樣配合比見表4），具體測試方法如下：

（1）流變曲線測試 本試驗在（25±2）℃，相對濕度（70±5）%的條件下進行，先將各配合比的漿體置于凈漿攪拌鍋內(nèi)加水攪拌，慢速攪拌120s后停15s，接著快速攪拌120s，然后采用奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的Rheolab QC 型旋轉(zhuǎn)黏度計測定漿體在各剪切速率（可由旋轉(zhuǎn)黏度儀的角速度ω 換算得到）下的剪切應力值，并采用數(shù)學擬合方法，得到流變方程以及相應的流變參數(shù).

（2）流變參數(shù)測試 采用Herschel－Bulkley（H－B）模型來描述體系的流變性［7，16］，其流變方程為：

式中：γ為剪切速率（1／s）；τ為剪切應力（Pa）；τ0為屈服應力（Pa）；η 為塑性黏度（Pa·sn）；n 為流變指數(shù).當τ0＝0，n＝1時流體為Newtonian流體.τ0≠0，n＝1時，流體為Bingham 流體；n＞1 時，流體為流脹體，即流體發(fā)生了剪切增稠，在剪切增稠階段，n值小表明漿體發(fā)生剪切增稠的程度低；n＜1 時，流體為假塑體，即流體發(fā)生了剪切變稀，在剪切變稀階段，n值大則表明漿體發(fā)生剪切變稀的程度低.

（3）水泥、粉煤灰和石灰石粉粒度測試 采用濟南潤之科技有限公司生產(chǎn)的Rise－2202型全自動激光粒度分析儀進行粒度測試，比表面積采用低溫氮物理吸附方法進行.

2 結(jié)果及討論

2.1 單摻粉煤灰和石灰石粉的影響

圖1為純水泥漿體P8、水泥－粉煤灰漿體P1和水泥－石灰石粉漿體P7的流變曲線.由圖1可知，3種漿體的流變曲線形狀相似，說明在水泥凈漿中摻入粉煤灰和石灰石粉并未改變其流變類型，卻顯著改變了其流變特性.由圖1（a）以及表5（采用H－B模型擬合得到的各水泥漿體流變參數(shù)）中P1，P7，P8的相應流變參數(shù)可知，隨著剪切速率的增大，各漿體的剪切應力均增大，且各流變曲線中均存在1個拐點，將漿體的流變曲線分為兩段：在拐點左側(cè)，隨著剪切速率的增大，曲線上凸，此時漿體的流變指數(shù)n小于1，即漿體的流變呈現(xiàn)剪切變??；在拐點右側(cè)，隨著剪切速率的增大，曲線下凹，此時漿體的流變指數(shù)n大于1，即漿體的流變呈現(xiàn)剪切增稠；拐點的坐標為臨界剪切應力和臨界剪切速率（τcrit，γcrit）.由圖1（b）以及表5中相應的流變參數(shù)可知，3種漿體的塑性黏度大小順序為水泥－石灰石粉漿體、純水泥漿體和水泥－粉煤灰漿體；隨著剪切速率的增大，各漿體的塑性黏度均呈先降后增的趨勢，且各條曲線中均存在1個拐點，當剪切速率大于該拐點后，漿體的流變類型發(fā)生了改變.

表4 試驗用復合漿體配合比Table 4 Mix proportion of cement compound pastes

圖1 純水泥漿體P8、水泥－粉煤灰漿體P1和水泥－石灰石粉漿體P7的流變曲線Fig.1 Rheological curves of cement paste（P8），cement－fly ash paste（P1）and cement－limestone paste（P7）

表5 采用H－B模型擬合得到的各水泥漿體流變參數(shù)Table 5 Rheological parameters of cement pastes fitted by H－B model

純水泥漿體的臨界剪切速率γcrit為195s－1，摻入粉煤灰和石灰石粉后漿體的γcrit分別降低為66s－1和168s－1，這一現(xiàn)象表明在水泥漿體中摻入粉煤灰和石灰石粉后容易發(fā)生剪切增稠.在水泥漿體中分別摻入粉煤灰和石灰石粉后，剪切變稀階段的流變指數(shù)n由0.870分別降低為0.321和0.835，剪切增稠階段的流變指數(shù)n也由2.768分別降低為1.771和1.608，說明粉煤灰或石灰石粉的摻入增大了漿體剪切變稀的程度，降低了漿體剪切增稠的程度.特別是摻入粉煤灰后，漿體的γcrit值顯著降低，即其在較低的剪切速率下就會發(fā)生剪切增稠.另外，采用H－B模型對流變曲線拐點兩側(cè)曲線進行擬合的結(jié)果與實測數(shù)據(jù)具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R均大于0.99.

2.2 粉煤灰和石灰石粉摻量變化的影響

圖2為粉煤灰和石灰石粉摻量（以其占水泥的質(zhì)量分數(shù)計，下同）不同的水泥漿體P1～P7的流變曲線.由圖2（a）和表5中相應的流變參數(shù)可知，各漿體的流變曲線均存在1個拐點，拐點左右兩側(cè)曲線上凸和下凹，且隨著漿體中石灰石粉摻量的增加和粉煤灰摻量的減少，曲線上拐點的縱、橫坐標均增大，即漿體的臨界剪切應力和臨界剪切速率（τcrit，γcrit）均增大.由圖2（b）和表5中相應的流變參數(shù)可知，隨著剪切速率的增大，各漿體的塑性黏度均先降后增，且各漿體的塑性黏度隨著石灰石粉摻量的增大而增大.

圖2 粉煤灰和石灰石粉摻量不同的水泥漿體流變曲線Fig.2 Rheological curves of cement pastes with different contents of fly ash and limestone powder

由表5還可看出，在剪切變稀階段，隨著石灰石粉摻量的增大，漿體的流變指數(shù)逐漸增大，特別是當漿體中石灰石粉摻量由0%增大到15%時；當石灰石粉摻量大于15%以后，隨石灰石粉摻量增大，漿體流變指數(shù)增大不明顯；當流變指數(shù)n＜1時，n 值越大說明剪切過程中漿體剪切變稀程度越小，即石灰石粉的摻入降低了漿體在剪切過程中剪切變稀的程度；隨著石灰石粉摻量的增大，漿體由剪切變稀向剪切增稠轉(zhuǎn)變時的臨界剪切應力和臨界剪切速率（τcrit，γcrit）均增大，這說明摻入石灰石粉后，漿體需要在較大的剪切速率下才會發(fā)生剪切增稠.另外，在剪切增稠階段，隨著石灰石粉摻量的增大，漿體的流變指數(shù)略有降低，這也說明石灰石粉的摻入可以降低漿體剪切增稠的程度.

2.3 石灰石粉摻量的影響

圖3為石灰石粉摻量不同的水泥漿體P3，P9的流變曲線.由圖3（a）可知，在保持漿體中水泥和粉煤灰質(zhì)量不變的前提下加大石灰石粉摻量，則漿體由剪切變稀向剪切增稠轉(zhuǎn)變的臨界剪切應力和臨界剪切速率（τcrit，γcrit）均增大，這說明隨著石灰石粉摻量增大，漿體要在較大的剪切速率下才會發(fā)生剪切增稠，且漿體在剪切變稀階段和剪切增稠階段的流變指數(shù)均增大，說明在保持漿體中水泥和粉煤灰質(zhì)量不變的前提下，加大石灰石粉摻量會降低漿體剪切變稀的程度，增大漿體剪切增稠的程度.

圖3 石灰石粉摻量對漿體流變曲線的影響Fig.3 Influence of limestone powder content on rheological curves of pastes

2.4 石灰石粉比表面積的影響

圖4為石灰石粉比表面積不同的漿體P9，P10的流變曲線.由圖4（a）可知，在保持漿體中石灰石粉摻量不變的條件下增大石灰石粉比表面積，則漿體由剪切變稀向剪切增稠轉(zhuǎn)變的臨界剪切應力和臨界剪切速率（τcrit，γcrit）均增大，且在漿體剪切變稀階段和剪切增稠階段的流變指數(shù)均增大，這說明石灰石粉比表面積較大的漿體會在較大的剪切速率下發(fā)生剪切增稠；增大石灰石粉比表面積，則漿體在剪切變稀階段的剪切變稀程度降低，在剪切增稠階段的剪切增稠程度增大.

圖4 石灰石粉比表面積對漿體流變曲線的影響Fig.4 Influence of limestone powder specific surface area on rheological curves of pastes

3 結(jié)論

（1）所測漿體流變曲線隨剪切速率的增大可分為剪切變稀和剪切增稠兩個階段.采用Herschel－Bulkley（H－B）模型能夠較好地描述漿體的流變行為.粉煤灰和石灰石粉的摻入均能對水泥漿體的剪切變稀和剪切增稠產(chǎn)生較大影響.

（2）純水泥漿體在較大剪切速率下的流變行為仍表現(xiàn)為剪切變稀，粉煤灰和石灰石粉的摻入降低了漿體的臨界剪切應力和臨界剪切速率，使?jié){體容易出現(xiàn)剪切增稠，并且增大了漿體在剪切變稀階段剪切變稀的程度，降低了漿體在剪切增稠階段剪切增稠的程度.

（3）增大石灰石粉摻量會使?jié){體在剪切變稀階段的流變指數(shù)增大，漿體剪切變稀程度減??；當石灰石粉摻量由0%增大到15%時，漿體在剪切變稀階段的流變指數(shù)顯著增大.增大石灰石粉比表面積，會降低漿體在剪切變稀階段的剪切變稀程度，增大漿體在剪切增稠階段的剪切增稠程度.

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