邢曉飛, 蘇彩麗

(1.開(kāi)封大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 開(kāi)封 475004; 2.開(kāi)封市建筑固體廢棄物再生利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 開(kāi)封 475004;3.開(kāi)封市海綿城市工程材料技術(shù)研究中心, 開(kāi)封 475004; 4.開(kāi)封市建筑固體廢棄物再生利用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 開(kāi)封 475004;5.開(kāi)封市固體廢渣資源化與無(wú)害化工程技術(shù)研究中心, 開(kāi)封 475004)

2022年,長(zhǎng)沙某小區(qū)室內(nèi)混凝土掉落,樓房變身“千眼”墻,鑒定結(jié)果顯示,鋼渣導(dǎo)致混凝土中水泥未完全水化是該工程事故的主要原因,因此,將工業(yè)廢渣(粉煤灰、礦渣、鋼渣等)應(yīng)用于建筑工程中,需要對(duì)其使用性能和摻量進(jìn)行深入研究,才能避免類(lèi)似事故的出現(xiàn)。

高爐礦渣是冶煉生鐵時(shí)從高爐中排出的一種廢渣,是一種易熔混合物。高爐礦渣作為礦物摻合料對(duì)砂漿流變參數(shù)的影響是材料學(xué)的主要研究方法之一[1]。砂漿的稠度和流動(dòng)度是砂漿工作性能的兩個(gè)方面,普通砂漿的稠度較小時(shí),它的流動(dòng)性較差。砂漿的流變性能主要指標(biāo)為初始剪切力和黏度系數(shù)[2-3]。對(duì)砂漿流變參數(shù)的研究有多種實(shí)驗(yàn)方法,但隨著新型建筑材料和水泥制品外加劑的發(fā)展,傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法產(chǎn)生了一定的局限性,尤其是大流動(dòng)度砂漿出現(xiàn)后,傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法已不能很好地反映砂漿的流變性能,因此,研究一種更好的適用于高爐礦渣的砂漿流變參數(shù)分析方法具有重要的意義。

中國(guó)一些學(xué)者也對(duì)此展開(kāi)了研究,如汪璽玥[4]采用軟固體測(cè)試流變儀等設(shè)備對(duì)砂漿流變性進(jìn)行研究,認(rèn)為高爐礦渣可以有效改善砂漿流變性,并隨著高爐礦渣摻量的增加,砂漿屈服應(yīng)力和塑性黏度不斷減小,砂漿流變性能越好。曾云輝[5]利用旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)混凝土的流變性進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:礦渣隨著混凝土中堿含量的增加,電離出來(lái)的陽(yáng)性離子較多,造成漿體中凝絮狀結(jié)構(gòu)增加,混凝土流變性會(huì)隨著降低。王恒等[6]利用博勒飛RST-SST型流變儀對(duì)砂漿的流變性和黏聚力進(jìn)行研究,結(jié)果顯示:在較小水膠比情況下,磨細(xì)礦渣具有更大的比表面積,在水泥漿中會(huì)形成絮狀結(jié)構(gòu),增加了漿體的內(nèi)摩擦力,增大了水泥漿屈服應(yīng)力,降低砂漿的流變性,但會(huì)小幅度提高砂漿黏聚力。張倩倩等[7]利用平行板流變儀、同軸旋轉(zhuǎn)流變儀等設(shè)備對(duì)漿體的流動(dòng)性進(jìn)行研究,結(jié)果表明:礦渣等礦物摻合料會(huì)使砂漿的固體顆粒數(shù)量增大,顆粒濃度增加,其微集料效應(yīng)所釋放的水不足以潤(rùn)濕礦渣表面積,漿體流動(dòng)性減小。

以上實(shí)驗(yàn)采用的流變儀成本相對(duì)較高,用流變儀需要砂漿處于穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài),且不能直接得出砂漿的流變參數(shù),需要采用轉(zhuǎn)換方程進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算,計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜,計(jì)算結(jié)果精度不高。

在以上學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一種新型簡(jiǎn)便的L形流變儀來(lái)測(cè)試砂漿的流變參數(shù),將新拌礦渣水泥砂漿漿體認(rèn)定為賓漢姆流體,結(jié)合力學(xué)數(shù)值分析,以確定礦渣對(duì)砂漿初始剪切力和黏度系數(shù)的影響,為砂漿在工程使用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的水泥采用新鄉(xiāng)市孟電水泥廠生產(chǎn)的P42.5 R普通硅酸鹽水泥,水泥物理性能指標(biāo)如表1所示,水泥、礦渣化學(xué)組成如表2所示;細(xì)集料采用開(kāi)封當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的中細(xì)砂,細(xì)度模數(shù)為2.41;水采用飲用自來(lái)水;高爐礦渣采用鄭州市某材料公司的磨細(xì)礦渣,用振動(dòng)球磨機(jī)磨細(xì)至比表面積為 5 736 cm2/g。

表1 水泥物理性能指標(biāo)

表2 水泥、礦渣化學(xué)組成

水膠比是指漿體中水與膠凝材料的質(zhì)量比,水膠比是砂漿的流變性能的直接影響因素。文獻(xiàn)[8-10]顯示,水膠比多采用0.45～0.55,礦渣或者礦物摻合料雙摻以10%～60%等量取代水泥進(jìn)行砂漿流動(dòng)性試驗(yàn)性能最佳。通過(guò)對(duì)不同高爐礦渣摻量、不同水膠比下的材料進(jìn)行試驗(yàn)砂漿的制作,并進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)。試驗(yàn)用砂漿配比如表3所示。

表3 試驗(yàn)用砂漿配比

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用的主要儀器為由內(nèi)徑2 cm透明玻璃管組成的L形裝置,L形裝置示意圖如圖1所示。該試驗(yàn)裝置由豎直段和水平段兩部分組成,豎直段高度為50 cm,水平段長(zhǎng)度為150 cm。在兩段之間的連接處設(shè)置閥門(mén),在水平段下設(shè)置有兩個(gè)可調(diào)節(jié)高度的支座(試驗(yàn)時(shí)借助水準(zhǔn)尺檢查其水平情況),以保證砂漿在水平段沒(méi)有勢(shì)差。其他儀器設(shè)備有電子天平、量筒、卷尺、秒表、滴管、刮刀等。

圖1 L型裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of L-type device

1.3 試驗(yàn)步驟和方法

第一步:對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行校正,保證橫平豎直。

第二步:向L形管注入水將管壁進(jìn)行潤(rùn)濕,將水排凈后關(guān)閉閥門(mén)。

第三步:按所設(shè)計(jì)配合比稱(chēng)量所需材料,采用人工攪拌方式將水泥砂漿拌合均勻,然后緩慢倒入L形圓管豎直段玻璃管內(nèi),直到垂直段試管被裝滿(mǎn)為止。

第四步:迅速打開(kāi)兩段間的閥門(mén),同時(shí)按下秒表,此時(shí)砂漿在重力作用下進(jìn)入水平段,水頭呈非均勻流動(dòng),試驗(yàn)中每5 s記錄水頭位置,直到水平段內(nèi)水頭位置變化不明顯為止,并記錄下垂直段的砂漿高度。

2 水泥砂漿流變參數(shù)計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

砂漿的流變參數(shù)主要是初始剪切力和黏度系數(shù),不同組分的砂漿具有不同的初始剪切力和黏度系數(shù),砂漿所表現(xiàn)出的流變特性也會(huì)不同,在實(shí)際工程應(yīng)用中砂漿工作性能也會(huì)表現(xiàn)不同。新拌水泥砂漿可以近似地看成賓漢姆體[11]。新拌砂漿的基本流變方程為

(1)

式(1)中:τ為剪切應(yīng)力;τ0為初始剪切力;η為黏度系數(shù);dv/dt為剪切速率。

賓漢姆體流變曲線如圖2所示。由圖2可知,τ<τ0時(shí),砂漿將不會(huì)流動(dòng),只有τ>τ0時(shí),砂漿才能表現(xiàn)出流體的性質(zhì)。漿體內(nèi)部各個(gè)組分間的摩擦力和附著力決定了剪切屈服應(yīng)力τ0的大小,而剪切屈服應(yīng)力τ0是能夠保持漿體呈現(xiàn)出固體形態(tài)時(shí)的最大應(yīng)力。塑性黏度系數(shù)η的大小表示砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)漿體流動(dòng)的阻礙能力,該系數(shù)直接影響新拌砂漿流動(dòng)速度的快慢[12]。

圖2 賓漢姆體流變曲線Fig.2 Bingham rheologic curve

2.2 τ0值表征

在此試驗(yàn)中,在砂漿最終停止流動(dòng)時(shí),測(cè)量出L形管豎直段內(nèi)剩余水泥砂漿的高度h0,h0大小由砂漿的τ0來(lái)決定的,二者關(guān)系為

h0=aτ0+b

(2)

式(2)中:h0為豎管殘留高度,m;a、b為常數(shù),只與試驗(yàn)條件有關(guān)。

本研究中,在試管形狀、內(nèi)徑不變的情況下,可以用h0來(lái)表示參數(shù)τ0的大小。

2.3 η值的表征

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,流動(dòng)前和流動(dòng)后試管內(nèi)砂漿的總量是不變的[13-14],放開(kāi)閥門(mén)前砂漿總高度H等于流動(dòng)過(guò)程中或者結(jié)束后豎直段砂漿高度h與水平段砂漿長(zhǎng)度x的和,即

H=h+x

(3)

將式(1)、式(2)代入(3)可得

(4)

根據(jù)流體力學(xué)假定可知,速度在管壁處大小為0,試管中心處速度最大,由于試管直徑較小,在管壁與管中心線之間的漿體速度可以近似看成為線性分布,即:dv/dy=v/0.01=100v。式(4)可轉(zhuǎn)化為

100aηv+x+h0-H=0

(5)

式(5)中:v為試驗(yàn)中所測(cè)得砂漿在某時(shí)刻沿x軸向的速率,m/s。

式(5)可以改寫(xiě)為

(6)

求解式(6)中的微分方程為

t=(-100aη)ln(H-h0-x)-c

(7)

由式(7)可知,時(shí)間t與ln(H-h0-x)呈線性關(guān)系,若以ln(H-h0-x)為橫向坐標(biāo),t為縱坐標(biāo)建立坐標(biāo)系,求解所得直線與y軸交點(diǎn)為常數(shù)-c,直線斜率為100aη,所以該試驗(yàn)以aη反映砂漿黏度的大小。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 礦渣摻量對(duì)砂漿水頭位置的影響

本研究主要針對(duì)高爐礦渣對(duì)水泥砂漿流變性能影響進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)中調(diào)整水泥砂漿的水膠比和高爐礦渣摻量,測(cè)量新拌砂漿水頭位置的變化。圖3 為砂漿流變實(shí)驗(yàn)中不同水膠比和不同高爐礦渣下測(cè)試時(shí)間與砂漿水頭位置的關(guān)系圖。

圖3 不同水膠比和不同高爐礦渣下測(cè)試時(shí)間與砂漿水頭位置的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between test time and mortar head position under different water-binder ratio and different blast furnace slag

由圖3可知,高爐礦渣的摻量不同時(shí),曲線走向一致,初始斜率較大,曲線逐漸變緩。同一測(cè)試時(shí)間下,隨著礦粉摻量增加,砂漿的流速明顯增大,并且水膠比的增大對(duì)砂漿流速的影響起決定作用。

3.2 礦渣摻量對(duì)砂漿流速的影響

時(shí)間為5 s和10 s時(shí),不同礦渣摻量對(duì)砂漿流速的影響試驗(yàn)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4 不同時(shí)間不同礦渣摻量砂漿流速變化Fig.4 Relationship between flow velocity and time when time is 5 second and 10 second

圖5 砂漿h0隨礦渣摻量變化曲線Fig.5 Curves of h0 value with slag content

從圖4可知,在礦渣摻量在10%時(shí),砂漿流動(dòng)速度有明顯的提高,但在礦渣摻量增大時(shí),砂漿的流動(dòng)速度會(huì)隨著礦渣摻量的增加而減小,當(dāng)摻量大于20%時(shí),砂漿的流動(dòng)速度甚至小于同水灰比下無(wú)礦物摻合料的漿體流動(dòng)速度。由此可見(jiàn),磨細(xì)礦渣粉在一定摻量范圍內(nèi)可以改善砂漿的流動(dòng)速度,但高摻量反而會(huì)降低砂漿的流動(dòng)性。

3.3 礦渣摻量對(duì)砂漿流變參數(shù)τ0的影響

本研究中采用垂直管中的砂漿殘留高度h0表征砂漿初始剪切力τ0值大小。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 aη隨礦渣摻量變化曲線Fig.6 Curves of aη value with slag content

圖5表示砂漿停止流動(dòng)時(shí),垂直管中的砂漿殘留高度的大小,試驗(yàn)結(jié)果顯示,在礦渣摻量在10%時(shí),砂漿的殘留高度h0相比無(wú)摻合料砂漿小,但在礦渣摻量超過(guò)20%時(shí),h0會(huì)有所增大,并之后隨著礦粉摻量的增加顯著增長(zhǎng)。h0隨礦渣摻量的基本變化規(guī)律為線性關(guān)系。

總的來(lái)說(shuō),當(dāng)?shù)V渣摻量較小時(shí),砂漿流動(dòng)速度會(huì)隨著礦渣摻量的增加略有增加,砂漿的殘留高度h0會(huì)隨著礦渣摻量的增加略有降低,而這一現(xiàn)象在礦渣摻量超過(guò)20%以后有所改變,之后隨著礦渣摻量的增加,砂漿的流動(dòng)速率會(huì)明顯降低,砂漿最終殘留高度會(huì)明顯增加。h0在礦渣摻量為10%的時(shí)候達(dá)到最小值。

綜上所述,在礦渣摻量在10%時(shí),砂漿的初始剪切力τ0比無(wú)摻合料砂漿略小,但在礦渣摻量超過(guò)20%時(shí),τ0會(huì)有所增大,并之后隨著礦粉摻量的增加顯著增長(zhǎng)。

3.4 礦渣摻量對(duì)砂漿流變參數(shù)的影響

在此理論基礎(chǔ)上,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的砂漿速率,計(jì)算得出礦渣摻量不同時(shí),水泥砂漿的黏度系數(shù)aη的大小,該值反映了砂漿流變特征參數(shù)黏度系數(shù)η。為了進(jìn)一步得出η值與高爐礦渣摻量的關(guān)系,以砂漿的aη為縱坐標(biāo),以高爐礦渣摻量比例為橫坐標(biāo),得出aη隨高爐礦渣摻量變化曲線如圖6 所示。

由圖6(a)可知,在高爐礦渣摻量在10%時(shí),砂漿的黏度系數(shù)η比無(wú)摻合料砂漿略小,隨后漿體η隨著礦渣摻量增加而增大。與τ0變化規(guī)律相似,η在高爐礦渣摻量為10%時(shí)達(dá)到最小值。由圖6(b)可知,砂漿的黏度系數(shù)η的變化隨著礦渣摻量增加而呈線性變化。

4 機(jī)理分析

從試驗(yàn)結(jié)果可知,少量摻入高爐礦渣可以改善砂漿的流變性能,砂漿的流動(dòng)速度隨高爐礦渣的摻量的增加先增大后降低,砂漿的兩個(gè)流變參數(shù)η和τ0隨著高爐礦渣摻量的變化而變化,在高爐礦渣摻量在10%時(shí)達(dá)到最高值;在高爐礦渣摻量在20%以上時(shí),砂漿流變參數(shù)隨礦渣摻量的增加呈線性增加。產(chǎn)生此結(jié)果的原因分析如下。

一方面,少量摻入高爐礦渣可以改善砂漿的流變性能,因?yàn)榈V渣微粉在砂漿中的填充效應(yīng)[15]。砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)電鏡掃描結(jié)果如圖7所示。水泥粉體顆粒粒徑大部分集中在10～70 μm,在砂漿中出現(xiàn)顆粒堆積的現(xiàn)象,水泥顆粒之間存在較多的空隙,較大的空隙率會(huì)導(dǎo)致需水量增加,導(dǎo)致砂漿流動(dòng)性降低。砂漿中摻入礦粉后,較細(xì)的礦粉顆粒就能夠填充于水泥顆粒之間。礦渣的填充效應(yīng),使整個(gè)膠凝粉體的顆粒分布加寬,產(chǎn)生了“微集料”效用,改善了水泥的顆粒級(jí)配,使原有空隙中的水得到釋放,漿體中自由水增加,砂漿的流動(dòng)性能得以改善。由此可見(jiàn),砂漿的填充作用和分散作用有利于降低砂漿的初始屈服值和黏度[16]。

圖7 砂漿微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Microstructure diagram of mortar

微觀上講,水泥砂漿中的水泥顆粒之間存在斥力和吸力兩種作用,其中吸力以毛細(xì)管力為主,其大小與毛細(xì)管半徑成反比,與物質(zhì)的表面張力成正比。水泥顆粒之間的斥力主要表現(xiàn)為電斥力,電斥力的大小與水泥顆粒的電動(dòng)電位有關(guān)。當(dāng)砂漿中加入少量礦渣時(shí),漿體中自由水增加,水泥顆粒和液相界面的擴(kuò)散層離子濃度降低,離子擴(kuò)散增大,導(dǎo)致擴(kuò)散層的厚度增加,相應(yīng)的電動(dòng)電位增加,水泥顆粒之間的電斥力就會(huì)增大。同時(shí),自由水增加使粒子水膜厚度變大,水泥顆粒毛細(xì)管半徑增大,從而毛細(xì)管力減小,吸力降低。由此可見(jiàn),少量高爐礦渣的加入使新拌砂漿更加容易分散。因此,隨高爐礦渣摻量的增加,砂漿流變性能變好,砂漿的初始屈服值和黏度有所降低。

另一方面,與水泥顆粒相比,高爐礦渣的顆粒粒徑小,總體顆粒較細(xì),且屬于多角形,形狀不規(guī)則,與水泥相比之下,高爐礦渣微粉顆粒的比表面積大,表面潤(rùn)濕需水量大。表面具有吸附作用,具有很高的表面能,表面吸附水量亦大。高爐礦渣微粉的表面吸附作用降低了砂漿的流動(dòng)度,增大了砂漿的剪切應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)η。從這一點(diǎn)來(lái)看,礦粉的摻入不利于砂漿的的流動(dòng)性,結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。故在砂漿中使用高爐礦渣時(shí),與減水劑配合使用效果更佳。

5 結(jié)論

礦渣對(duì)砂漿性能影響的研究一直是建筑材料研究的重要課題,基于高爐礦渣對(duì)砂漿流變參數(shù)的影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值分析,證明L形管流變儀在理論上的可行性,簡(jiǎn)化了試驗(yàn)設(shè)備,并在L形管幾何尺寸確定的情況下確定砂漿的兩個(gè)基本流變參數(shù)。在日后的研究中可對(duì)模型的基本尺寸進(jìn)行改進(jìn),不斷完善優(yōu)化模型結(jié)果,提高模型使用效果。

(2)少量的摻入礦渣可以改善砂漿流變性能,降低砂漿流變參數(shù)τ0和η。礦渣摻入量大于20%時(shí),水泥砂漿流變參數(shù)剪切應(yīng)力τ0和黏度系數(shù)η的大小隨礦渣摻量的增加呈線性增大。試驗(yàn)結(jié)果顯示,工程用砂漿中礦渣摻量為10%時(shí),水泥砂漿的流變性能最佳。

(3)基于電鏡掃描法對(duì)礦渣水泥砂漿水化產(chǎn)物進(jìn)行研究。結(jié)果顯示,礦渣粉可以填充水泥顆粒之間的空隙,砂漿密實(shí)度可以得到進(jìn)一步提高。高摻量礦渣砂漿使用時(shí),與減水劑配合使用,砂漿流變性能更好。