摘 要： 采用 Brookfield 流變儀測試機制砂中石粉含量對高強機制砂砂漿流變性能的影響，并結合相應機制砂混凝土工作性能的測試，探討了砂漿流變學參數與混凝土坍落度和擴展度的關系。試驗結果表明：當機制砂中石粉含量低于 5%時，石粉含量變化對砂漿工作性無不利影響；但當石粉含量大于 5%時，隨機制砂中石粉含量的提高，砂漿的塑性黏度和屈服應力增大，顯著劣化砂漿的工作性能。當石粉等質量取代水泥作礦物摻合料時，適量的石粉可以改善砂漿的流變性能。試驗結果還表明：機制砂砂漿的流變學參數與混凝土工作性能測試結果變化趨勢具有較強的相關性，可以指導機制砂混凝土的組成設計。
關鍵詞： 機制砂；石粉；流變學；工作性；砂漿
中圖分類號： TU528.041 文獻標志碼： A 文章編號： 1002-3550（2014）06-0118-03
 
0 引言
隨著我國基礎建設的發展和對環境保護的重視，我國不少地區天然砂的資源匱乏，已不能滿足工程需要，使用機制砂配制混凝土將會成為今后的發展趨勢。相比于河砂，機制砂顆粒表面粗糙、尖銳多棱角，細度模數較大，級配不良，堆積空隙率高并且含有大量的石粉，在配制混凝土時會造成需水量增加，粗糙的表面和機械咬合會增加混凝土流動的阻力，機制砂級配中間顆粒較少，使得配制的混凝土易離析泌水 [1] 。
 
制砂過程中含有大量的石粉，對于混凝土的工作性而言，石粉在存在可以彌補機制砂混凝土漿體不足的缺陷，減少機制砂和碎石之間的摩擦，改善拌合物的和易性，這是石粉的正作用，機制砂石粉含量的增加必然會導致包裹其水的用量增加，增加混凝土的黏滯性，正負作用的效果取決于粉體的用量及水膠比，機制砂必然存在臨界石粉含量保證混凝土有較好的工作性 [2] 。
 
對于 C80 級機制砂混凝土，我國已有少量的工程應用 [3-5] ，在施工時普遍存在黏性大、混凝土與泵送管的剪切阻力大的特點。在評價混凝土工作性時常采用坍落度和擴展度的方法，擴展度在一定范圍內可以反映混凝土的黏度，但對于 C80 級混凝土一般通過攪拌時工作人員的經驗來判斷，而使用砂漿的流變學試驗可以定量的描述砂漿的黏度，粗骨料對漿體的流動性能影響很大，試驗會產生很大的離散，而砂漿可以認為是一種細集料混凝土，砂漿各組分對其屈服應力和塑性黏度的影響與它們對新拌混凝土屈服應力和塑性黏度的影響相似 [6] ，所以本試驗采用成功配制 C80 機制砂混凝土相同配合比的砂漿進行流變學試驗。
 
水泥砂漿的流變性，作為一次近似常用 Bingham 模型來描述。其流變方程為：  
當 τ<τ 0 時，沒有流動發生，只有彈性變形，是一種固體；只有 τ>τ 0 時，它才發生黏性流動，具有流體的性質。屈服應力 τ 0 是由漿體內各顆粒之間的附著力和摩擦力產生的，是阻止漿體塑性變形的最大應力。而塑性黏度η 則是水泥漿體內部結構阻礙流動的一種性能，反映了水泥漿體體系變形的速度。因此屈服應力和塑性黏度值與漿體體系內顆粒的形狀、粗細、粒徑分布及比表面積等因素有關。如果把流變特征引入到工作性好壞的標志之中，屈服值越小，代表可塑性越好，當混凝土需要較高的穩定性的時候則相反，屈服值跟混凝土的坍落度有一定的關系；塑性黏度則代表混凝土的流動性和黏性以及易密性 [7] 。
 
1 原材料與試驗方法
1.1 原材料
華新 P·O 52.5 級水泥；岳陽河砂，細度模數 2.5，屬于II 區中砂；福岡石灰巖機制砂（水洗至石粉含量為 3%）；福岡風選石粉，粒徑小于 75 μm；武鋼礦渣粉，比表面積為552 m 2 /kg；埃肯硅粉，比表面積為 18 000 m 2 /kg；武漢陽邏電廠生產的 I 級粉煤灰，比表面積為 444 m 2 /kg；蘇州弗克高效外加劑與格雷斯外加劑復摻，減水率 30%。水泥的主要性質與機制砂的篩分曲線分別見表 1、圖 1。
 
1.2 試驗方法
（1）流變性能測試。水泥砂漿的流變性能用美國 Brook-field 公司生產的 R/S-SST 流變儀檢測。采用槳式轉子，轉子型號為 V40-20 型。選擇剪切速度從 0~150（1/S）范圍內變化，每 3 s 變化一次剪切速度，連續檢測 5 min 內漿體的剪切應力與黏度的變化。測試在在（20±2）℃下進行。砂漿按 GB/T 17671—1999 的制備方法進行制備，然后采用R/S-SST 型旋轉黏度計測定漿體在各剪切速率下的剪切應力值，并利用最小二乘法進行擬合，得到流變方程及相應的屈服應力、塑性黏度值。
 
（2）混凝土工作性。按 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。混凝土的坍落度與坍落擴展度試驗采用 JG 3021—1994 規定的混凝土坍落度儀。
 
2 結果與分析
為了探尋砂漿和混凝土之間流變性能的相關性，試驗采用了 C80 機制砂混凝土中的砂漿配合比，固定外加劑的摻量，基礎配合比為水∶膠凝材料∶外加劑∶機制砂 =0.25∶1∶0.009∶1.2，膠凝材料配合比為水泥∶礦粉∶粉煤灰∶硅粉 =0.52∶0.25∶0.15∶0.08。采用外加石粉的方式調節機制砂中的石粉含量。
 
2.1 機制砂中石粉含量對砂漿流變性能的影響混凝土是一個堆積體系，當體系各粒徑比例合適的時候，混凝土的流變性能會達到最優，使得混凝土的工作性能達到最佳。對于機制砂混凝土而言，由于機制砂的特殊性質，石粉可以填充一部分大顆粒產生的空隙，彌補機制砂級配的不足，改善砂漿的和易性。試驗對比研究了不同石粉含量的機制砂砂漿的流變性能，并與河砂砂漿進行了比較。
 
從表 2 的試驗結果可以看出，當石粉含量為 3%~5%時，機制砂砂漿的塑性黏度與屈服應力等流變學參數基本一致，由于整體石粉的含量較少，石粉含量的增加并沒有改變砂漿的工作性。當機制砂中石粉含量為大于 7%時，機制砂砂漿的流變性能開始出現較為明顯的變化，塑性黏度和屈服應力開始明顯增大，如 10%的石粉含量比 5%塑性黏度增加 1.8 倍，屈服應力增加 14.5%。對于高強機制砂砂漿，其水膠比較低，膠凝材料的用量較高，砂漿本身的黏度大。從流變學參數看，當石粉含量從 3%提高到 5%時，砂漿的塑性黏度基本沒有變化，但屈服應力甚至還略有降低，石粉含量的提高，對砂漿有一定的改善作用，但這種改善作用由于較高的膠凝材料用量而顯得作用不甚明顯。但當石粉含量大于 5%，達到 7%、10%時，由于石粉含量的增加，需水量增加，導致砂漿中的自由水含量進一步減小，塑性黏度和屈服應力大幅提高，使機制砂砂漿的流變性能降低。對于高強機制砂砂漿（或 C80 機制砂混凝土），當石粉含量小于 5%時，石粉可在一定程度上改善砂漿的工作性能，石粉的正作用大于負作用；而高于 5%，石粉含量的提高致使砂漿工作性能出現劣化趨勢，負作用大于正作用，即可認為對于高強砂漿（或 C80 混凝土而言），最佳的石粉含量為 5%。
 
2.2 石粉取代膠凝材料對高強砂漿流變性能的影響
機制砂中石粉細度接近于水泥的細度，為了廢物利用，已有研究利用機制砂中石粉少量替代水泥，作為混凝土的膠凝材料。為了研究機制砂中石粉對砂漿流變性能的影響，以石粉等質量取代部分水泥、礦粉和粉煤灰，測試砂漿的屈服應力與塑性黏度。試驗配合比特點與結果見表 3。

 
從表 3 的試驗結果可以看出，石粉取代水泥配制的砂漿與基準砂漿相比，塑性黏度和屈服應力都有所下降，由于石粉與水泥相比吸水量低，粉體的用量不變，相當于增加了水膠比，漿體的屈服應力和塑性黏度均下降；與基準砂漿相比，石粉取代礦粉后，砂漿的塑性黏度和屈服應力也有所下降，主要原因是粒度較大的石粉取代部分粒度較小的礦粉使堆積體系顆粒級配得到優化，漿體的塑性黏度與屈服應力均下降；與基準砂漿相比，石粉取代粉煤灰后，砂漿的塑性黏度和屈服應力基本一致，取代量逐步增加塑性黏度增大，但屈服應力基本不變，表明石粉與粉煤灰在砂漿可塑性方面的表現基本一致，由于石粉的需水量和顆粒級配的原因使得黏度增大。因此，通過上述對比試驗研究可以認為，在保證強度的情況下可以采用固定水膠比及粉體材料總量，通過優化各粉體的顆粒級配使得漿體形成最佳堆積體系，使用石粉取代膠凝材料（相當于增加機制砂中石粉含量）的方法保證砂漿的工作性。
 
2.3 混凝土與砂漿流變學相關性的探討
機制砂中石粉含量變化顯著影響高強機制砂砂漿的流變性能，但砂漿中的變化規律不一定能完全反映混凝土工作性能的變化規律，為了進一步揭示石粉對高強機制砂混凝土工作性能的影響以及高強砂漿流變學參數變化規律與混凝土工作性能變化規律的關系，本節結合相應高強機制砂混凝土坍落度與坍落擴展度的測試，分析其與砂漿流變學參數的關系。
 
表 4 為砂漿相應機制砂混凝土坍落度與擴展度的測試結果。從表 4 結果可以看出，C1、C5 坍落度和擴展度基本一致，但從實際拌制的過程中可以發現河砂混凝土的流動性能要好于機制砂混凝土，并且拌合物黏性小，說明在大坍落度和擴展度的情況下，使用這兩個指標很難判定混凝土的流動性能，在砂漿流變學試驗中 C1 的塑性黏度要明顯高于 C5，表明機制砂砂漿的黏度要明顯高于河砂砂漿；隨著機制砂中石粉含量的增加，混凝土的坍落度和擴展度均下降，屈服應力和塑性黏度上升，表明砂漿的流變學參數和混凝土坍落度擴展度的試驗有一定的趨勢相關性。但當混凝土的原材料體系發生變化時，由于混凝土的組成以及顆粒之間的相互作用關系比砂漿更加復雜，使砂漿流變學參數與混凝土坍落度測試結果的相關性變差。
 
3 結論
（1）對于高強機制砂砂漿而言，當石粉含量低于 5%時，隨著石粉含量增加，高強砂漿的塑性黏度與屈服應力變化不明顯；當石粉含量大于 5%時，隨著石粉含量的提高，機制砂砂漿的塑性黏度與屈服應力大幅提高。
（2）當機制砂中石粉等質量取代水泥作礦物摻合料時，適量的石粉可以降低高強砂漿的屈服應力與塑性黏度，在一定程度上改善高強砂漿的和易性。
（3）當砂漿與混凝土原材料一致性較強時，砂漿的流變學參數與混凝土工作性測試結果變化趨勢有較強的相關性，且流變學參數比坍落度和擴展度更加敏感。
 
參考文獻：
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[4] 江均贊，楊鋒杰.C80 高強高性能混凝土技術特點及工程應用[J].廣東土木與建筑，2012（3）：53-55.
[5] 高育欣，徐國棟，陳景等.C80 高強高流態機制砂混凝土在成都群光大陸廣場的應用混凝土低碳技術與高性能混凝土[C]//混凝土低碳技術國際學術研討會暨第九屆全國高性能混凝土學術研討會論文選編，2010（11）.
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[7] 徐定華，徐敏.混凝土材料學概論[M].北京：中國標準出版社，2002.