程從密，方　喬，徐海軍，歐陽偉

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州　510006；2.廣州市建筑研究院有限公司，廣東廣州　510440）

復(fù)合粉體組成對(duì)漿料流動(dòng)性影響的研究

程從密1，方喬1，徐海軍2，歐陽偉1

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.廣州市建筑研究院有限公司，廣東廣州510440）

多種不同粒徑的粉體復(fù)合對(duì)漿料流動(dòng)度的影響較為復(fù)雜.文章研究了砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)中各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)漿料流動(dòng)度的影響，并通過濃度三角形分析砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)漿料流動(dòng)度的分布規(guī)律.研究表明，濃度三角形適合于分析三元系統(tǒng)中各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)漿料流動(dòng)度的影響規(guī)律.

粉體；顆粒級(jí)配；流動(dòng)性；濃度三角形

復(fù)合水泥基粉體在生產(chǎn)實(shí)踐中有廣泛的應(yīng)用，如水泥型人造石材、瓷磚膠、無機(jī)灌漿料、自流平砂漿等.粉體的顆粒級(jí)配對(duì)提高產(chǎn)品的工藝性能、物理力學(xué)性能和降低生產(chǎn)成本都有積極的意義［1－2］.

本文研究砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)組份變化對(duì)漿料流動(dòng)性的影響，并用濃度三角形分析三元系統(tǒng)組成與流動(dòng)度關(guān)系.該研究方法對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程中三元系統(tǒng)配合比調(diào)整有很好的指導(dǎo)意義.

1　基本原理

通過完善顆粒級(jí)配提高拌合物流動(dòng)性是工程常用方法［3］.對(duì)于顆粒形狀較好、類型相近的顆粒體系，通過最緊密堆積理論計(jì)算可得出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相符的顆粒級(jí)配體系［4］.通過分析最緊密堆積對(duì)粉體粒徑分布的要求和實(shí)際水泥粉體的粒徑分布，可提出實(shí)現(xiàn)最緊密堆積的途徑［5］.

無機(jī)粉體漿料的流變學(xué)模型接近于賓漢姆模型，可以將其看作賓漢姆體進(jìn)行研究.其方程如公式1所示.

式中，

τ—漿料流動(dòng)時(shí)所受剪切力；

τf—漿料的屈服應(yīng)力；

η—塑性粘度；

dr/dt—漿料應(yīng)變速率.

漿料流動(dòng)時(shí)所受剪切力τ與漿料的屈服應(yīng)力τf、塑性粘度η和漿料應(yīng)變速率dr/dt有關(guān).當(dāng)剪應(yīng)力τ大于屈服應(yīng)力τf時(shí)漿料才能流動(dòng).低屈服應(yīng)力τf和低塑性粘度η的漿料才具有較好的流動(dòng)性.粘度是漿料流動(dòng)過程中需克服的內(nèi)摩擦阻力.粉體顆粒級(jí)配對(duì)其粘度的影響直接導(dǎo)致漿料流動(dòng)度的變化.

混凝土和砂漿的顆粒級(jí)配對(duì)流動(dòng)性的影響有較多研究［6－7］.顆粒較小的粉體漿料自重較輕，自重產(chǎn)生的剪切力小，因而其流動(dòng)性具有與混凝土不同的特點(diǎn).

研究三元系統(tǒng)時(shí)常用等邊三角形來表示各組份的組成，該三角形又稱為濃度三角形［8］.三角形的3個(gè)頂點(diǎn)表示3個(gè)純組份的組成；三條邊表示3個(gè)二元系統(tǒng)的組成；而三角形內(nèi)的任意一點(diǎn)都表示含有3個(gè)組份的三元系統(tǒng).三元系統(tǒng)的每一個(gè)組成都可以在濃度三角形中找到對(duì)應(yīng)且唯一的點(diǎn).

本文研究砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥3種不同粒徑的粉料復(fù)合對(duì)流動(dòng)性的影響，并用濃度三角形對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2　試驗(yàn)材料與方法

（1）砂粉，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂經(jīng)球磨機(jī)粉磨，比表面積210cm2· g－1.

（2）基準(zhǔn)水泥，檢驗(yàn)混凝土外加劑性能的專用水泥，是符合GB 8076－2008標(biāo)準(zhǔn)附錄要求控制指標(biāo)的P.I型硅酸鹽水泥，比表面積3 890cm2·g－1.

（3）超細(xì)水泥，硅酸鹽系列，比表面積≥7 000cm2·g－1，平均粒徑約為5～10μm，廣州番禺超特建材.

漿料流動(dòng)度的測(cè)試按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》GB/T 8077－2012規(guī)定的水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)進(jìn)行.考慮到所用粉體顆粒小于普通硅酸鹽水泥，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的用水量大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值.

3　復(fù)合粉體組成對(duì)漿料流動(dòng)度的影響

為研究不同粒徑粉體復(fù)合對(duì)漿料流動(dòng)度的影響，采用了砂粉、基準(zhǔn)水泥、超細(xì)水泥3種不同粒徑的粉體復(fù)合進(jìn)行漿料流動(dòng)度試驗(yàn).

表1　三元系統(tǒng)配合比及流動(dòng)度Table 1　Themix and fluidity of ternary system

試驗(yàn)配合比及拌合物流動(dòng)度如表1所示.1～ 12號(hào)試樣為單一粉體和二元粉體系統(tǒng)，分別采用砂粉、基準(zhǔn)水泥、超細(xì)水泥兩兩復(fù)合而成，并改變二元系統(tǒng)各組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù).13～21號(hào)試樣是砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)，依次固定其中一種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11，改變另外2種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比.22～27號(hào)試樣也是砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)，依次固定其中一種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28，并改變另外2種粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)比.28號(hào)樣是濃度三角形重心位置，3種粉料質(zhì)量比為1∶1∶1.

圖1　二元系統(tǒng)漿料流動(dòng)度Fig.1　The slurry fluidity of binary system

3.12種粉料復(fù)合對(duì)漿料流動(dòng)度的影響

圖1所示為二元系統(tǒng)細(xì)粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿料流動(dòng)性關(guān)系.

對(duì)于混凝土而言，在骨料相同的情況下，粒徑越小，比表面積越大，包裹水泥漿越薄，顆粒相互作用數(shù)目增多，塑性粘度相應(yīng)提高，流動(dòng)性下降.但是，本實(shí)驗(yàn)的砂粉－基準(zhǔn)水泥二元系統(tǒng)中，基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，漿料流動(dòng)度越大.這是因?yàn)榉垠w漿料自重小，在用水量較大的情況下，良好的顆粒級(jí)配和形狀有益于流動(dòng)性的提高.技術(shù)人員對(duì)自流平砂漿的研究也有類似結(jié)果［9－10］.

圖1所示，砂粉－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)中，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)（小于0.25），漿料流動(dòng)度隨超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加略有提高.但隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，漿料流動(dòng)度迅速下降.表明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的超細(xì)水泥對(duì)砂粉有一定的潤(rùn)滑作用，形成礦物減水效應(yīng)，抵消了粉料比表面積增加對(duì)漿料流動(dòng)度減少的影響.

基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)中，漿料流動(dòng)度隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加迅速下降.這是由于超細(xì)水泥與基準(zhǔn)水泥粒徑差別相對(duì)較小，超細(xì)水泥對(duì)基準(zhǔn)水泥沒有潤(rùn)滑作用.有研究表明二元充填微細(xì)膠凝材料的尺寸應(yīng)在被填充材料顆粒尺寸的至1/10范圍內(nèi)［11］.

當(dāng)超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)，漿料流動(dòng)度主要受超細(xì)水泥用量的影響，砂粉－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)和基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)在超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大時(shí)表現(xiàn)出相近的流動(dòng)度.

3.23種粉料復(fù)合對(duì)流動(dòng)度的影響

圖2所示為固定超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿料流動(dòng)度的關(guān)系.

超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.11，0.28時(shí)，漿料的流動(dòng)性都隨著基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加.隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，曲線略趨于平緩.這是因?yàn)槌?xì)水泥比表面積大，對(duì)流動(dòng)度有較大影響，相應(yīng)削弱了基準(zhǔn)水泥的影響.

圖2　固定超細(xì)水泥量的漿料流動(dòng)度Fig.2　The fluidity of slurry with fixed superfine cement content

圖3所示為固定砂粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿料流動(dòng)度的關(guān)系.

砂粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.11，0.28時(shí)，拌合物流動(dòng)度都隨超細(xì)水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而急劇下降.表明當(dāng)粉料比表面積大幅增加時(shí)，漿料流動(dòng)度顯著下降.砂粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11時(shí)的漿料流動(dòng)度略大于砂粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和0.28時(shí)漿料的流動(dòng)度.

圖4所示為固定基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)與漿料流動(dòng)度的關(guān)系.

圖3　固定砂粉量的漿料流動(dòng)度Fig.3　The fluidity of slurry with fixed sand power content

基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和0.11時(shí)，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)拌合物流動(dòng)度的影響相近.均表現(xiàn)為隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，漿料流動(dòng)度先略微上升，再急劇下降.這是因?yàn)槌?xì)水泥和基準(zhǔn)水泥總量不高時(shí)，對(duì)砂粉有潤(rùn)滑作用；隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，超細(xì)水泥對(duì)流動(dòng)度的負(fù)作用顯著加強(qiáng).

當(dāng)基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.28時(shí)，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，拌和物有較好的流動(dòng)性.隨著超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，拌合物流動(dòng)性急劇下降.

當(dāng)超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.75時(shí)，砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)其他兩組份比例的變化對(duì)漿料流動(dòng)性影響很小.即漿料流動(dòng)性完全取決于超細(xì)水泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖4　固定基準(zhǔn)水泥量的漿料流動(dòng)度Fig.4　The fluidity of slurry with fixed standard cement content

4　三元系統(tǒng)漿料流動(dòng)度的分布規(guī)律

根據(jù)表1砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)配合比和流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合上述三元系統(tǒng)組份變化對(duì)流動(dòng)度影響規(guī)律的分析，繪制基于濃度三角形的砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖（圖5）.

圖5中，用濃度三角形表示砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)的組成.大三角形的3個(gè)頂點(diǎn)表示單一粉體，相應(yīng)粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3條邊分別表示3個(gè)二元系統(tǒng)的組成，與邊相對(duì)頂點(diǎn)的粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.三角形內(nèi)任意一點(diǎn)都表示含有砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥的三元系統(tǒng).圖5中的2個(gè)小三角形各邊分別表示對(duì)應(yīng)頂點(diǎn)粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11和0.28的復(fù)合粉體.

圖5中各編號(hào)點(diǎn)粉體組成與表1對(duì)應(yīng)，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字是相應(yīng)漿料的流動(dòng)度.利用圖2、圖3、圖4中二元組分變化與流動(dòng)度關(guān)系曲線，用插值法找到組分不同但流動(dòng)度相同的點(diǎn)，將流動(dòng)度相同的點(diǎn)連起來，就形成砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖.分布圖中同一曲線上各點(diǎn)組份不同，但流動(dòng)度相同.

圖5　三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖Fig.5　The fluidity distribution of ternary system

圖5所示三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖可進(jìn)一步得出復(fù)合粉體流動(dòng)度分布規(guī)律.如根據(jù)1號(hào)點(diǎn)周邊曲線特點(diǎn)，可看出當(dāng)砂粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)很大時(shí)，細(xì)粉料（基準(zhǔn)水泥和超細(xì)水泥）質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加對(duì)漿料流動(dòng)度影響不大.這是因?yàn)榧?xì)粉料質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時(shí)，不能充滿砂粉間的空隙，因而對(duì)流動(dòng)度影響不大.21號(hào)、22號(hào)點(diǎn)附近的陰影區(qū)構(gòu)成一個(gè)流動(dòng)度穩(wěn)定點(diǎn)，砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)的組成在此區(qū)域內(nèi)變化時(shí)，漿料流動(dòng)度變化不大.

本研究方法對(duì)指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)過程中三元系統(tǒng)配合比調(diào)整有很好的指導(dǎo)意義.工業(yè)生產(chǎn)中可以根據(jù)圖5所示三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖，結(jié)合材料的物理力學(xué)性能、變形性能和成本等因素優(yōu)選適用的配合比.

當(dāng)然，影響漿料流動(dòng)度的因素很多，特別是用水量.在不同用水量情況下，復(fù)合漿料組份變化會(huì)出現(xiàn)不同的規(guī)律.本研究的意義在于提供了一種特定條件下的研究方法服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn).

5　結(jié)　論

（1）砂粉－基準(zhǔn)水泥二元系統(tǒng)中，基準(zhǔn)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，漿料流動(dòng)度越大.而砂粉－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)和基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥二元系統(tǒng)正好相反，超細(xì)水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，漿料流動(dòng)度越小.

（2）由于超細(xì)水泥具有過高的比表面積，且與基準(zhǔn)水泥粒徑相差不夠大，因而在砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥系統(tǒng)中促使流動(dòng)度快速下降.

（3）通過對(duì)流動(dòng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，在濃度三角形上繪制砂粉－基準(zhǔn)水泥－超細(xì)水泥三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖.基于濃度三角形的三元系統(tǒng)流動(dòng)度分布圖適合于分析三元系統(tǒng)中各組份質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)漿料流動(dòng)度的影響規(guī)律.

［1］封光寅，趙成海，張孝軍，等.泥沙顆粒級(jí)配曲線與有關(guān)特征值關(guān)系分析［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2005（4）：5-9.FENG G Y，ZHAO CH，ZHANGX J，etal.Relationship analysis between sedimentgrading curve and its relevant characteristic values［J］.China Powd Sci Tech，2005（4）：5-9.

［2］王澤云，石云興.粉體的復(fù)合效應(yīng)對(duì)混凝土流動(dòng)性與流變性能的影響［J］.四川建筑科學(xué)研究，2004（3）：105-107.WANG Z Y，SHIY X.Compounding effect of finemineral powders on fluidity and rheological property of concrete.［J］Sichuan Constr Sci Res，2004（3）：105-107.

［3］王曾信.砂的顆粒級(jí)配對(duì)水泥砂漿性能的研究［J］.中外建筑，2007（5）：100-102.WANG C X.The grain size of sandmatching cementmortar performance research［J］.Chin Overs Archit，2007（5）：100-102.

［4］李小池，王濤，朱海馬.碳化硅顆粒級(jí)配優(yōu)化的理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（4）：509-513.LIX C，WANG T，ZHU H M.Silicon carbide grain size distribution optimization theory and experimental research［J］.J Xi’an Univ Sci Tech，2012（4）：509-513.

［5］牛全林，張明輝，韓冬，等.礦物超細(xì)粉填充作用的分析［C］∥HPC2002第四屆全國(guó)高性能混凝土學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2002：509-513.NIU Q L，ZHANGM H，HAN D，et al.The analysis ofmineral ultrafine powder filling effect［C］∥HPC2002 Fourth National Conference on High Performance Concrete，2002：509-513.

［6］卜景龍，李天鵬.自流平材料的流變學(xué)分析［J］.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003（2）：109-114.BU JL，LIT P.Self-levelingmaterial rheology analysis［J］.JHebei Instit Tech，2003（2）：109-114.

［7］季孝敬.高強(qiáng)大流動(dòng)度混凝土的制備及應(yīng)用研究［D］.綿陽：西南科技大學(xué)，2013.JIX.Study on Preparation and Application of High Strength and High Flow ability concrete［D］.Mianyang：Southwest University of Science and Technology，2013.

［8］梁銳，阮炯正，朱會(huì)榮，等.利用濃度三角形優(yōu)化多元膠凝材料組成的嘗試［J］.吉林建筑工程學(xué)院，2010（1）：22-24.

LIANG R，RUAN JZ，ZHU H R，et al.Optimize the Use of Concentrations of a Triangle Composed of Multiple Cementitious Material［J］.J Ji LIN Univ Archit Engin，2010（1）：22-24.

［9］沈嫣秋.砂的顆粒級(jí)配對(duì)自流平砂漿性能的影響［J］.低溫建筑技術(shù)，2012（4）：20-21.

SHEN Y Q.Sand particle gradation leveling influence Mortar［J］.Low Temper Archit Tech，2012（4）：20-21.

［10］李戰(zhàn)國(guó)，劉娟紅，黃新，等.砂的粒徑分布對(duì)地面用水泥基自流平材料流動(dòng)度及強(qiáng)度的影響［J］.商品混凝土，2006（5）：40-43.

LIZG，LIU JH，HUANG X，et al.The Effect of the Particle Size distribution of Sand on Strength of Self-Leveling Material of Floor［J］.Beton Chin Edition-Ready-Mixed Concr，2006（5）：40-43.

［11］孫超.礦渣－粉煤灰混合膠凝體系研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2006.

SUN C.Research on the XED oementious system of slag fly ash［D］.Daqing：Daqing Pettoleum Institute，2006.

Study on the effect of com posite powder com position on the slurry fluidity

CHEN Cong-m i1，F(xiàn)ANG Q iao1，XU Hai-jun2，OU Yang-wei1

（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Guangzhou Institute of Building Science Co.，LTD.510440，China）

The effect of powder composite particle sizes on paste fluidity is complicated.In this paper，the influence of the change of the mass fraction of each component in the sand-based cement and superfine cement system is studied，and the distribution law of the slurry fluidity of sand-base cement slurry system is analyzed by using the concentration triangle.The study shows that the concentration of the triangle can analyze the influence of the change of themass fraction of each component in the system of the three element system.

powder；grain composition；liquidity；composition triangle

1671-4229（2015）06-0050-05

TB 301

A

2015－10－20；

2015－10－30

廣州市科委2015年產(chǎn)學(xué)研資助專項(xiàng)（156500058）；廣州市科技創(chuàng)新平臺(tái)資助項(xiàng)目（15180005）

程從密（1972－），男，副教授，博士.E-mail：1972.1congmi2008＠sina.com

【責(zé)任編輯：陳鋼】