童小根，劉行宇，張凱峰，劉榮輝，劉彥輝

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710063）

0 前言

隨著混凝土結(jié)構(gòu)形式的多樣化發(fā)展，各種超高層、超跨度、超大型混凝土構(gòu)筑物，以及在特殊環(huán)境下使用的重大混凝土結(jié)構(gòu)被大量建造，使得工程混凝土對(duì)工作性、耐久性和體積穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求，高性能混凝土以其獨(dú)特的優(yōu)越性在混凝土施工中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。為滿足高性能混凝土的性能要求，采用高標(biāo)號(hào)水泥和提高水泥用量的傳統(tǒng)配合比設(shè)計(jì)方法存在諸多問(wèn)題。水泥用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)硬化時(shí)間縮短，短時(shí)間內(nèi)水化放熱量迅速增加，不利于混凝土工作性的長(zhǎng)時(shí)間保持，而且也會(huì)增大混凝土收縮開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[4]。近年來(lái)，利用活性礦物摻合料來(lái)代替高性能混凝土中的部分水泥，已成為高性能混凝土配制過(guò)程中不可或缺的重要組成部分[5-6]。然而，礦物摻合料對(duì)高性能混凝土粘度影響的相關(guān)研究成果卻鮮有報(bào)道。摻合料若使用不當(dāng)，造成混凝土粘度過(guò)大，流動(dòng)性下降，容易引發(fā)混凝土攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，泵送壓力過(guò)大，不易振搗；而當(dāng)混凝土粘度過(guò)低時(shí)，易導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)粘聚性差，離析、泌水等多種不良問(wèn)題，從而很大程度上限制了高性能混凝土的推廣與應(yīng)用[7-10]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文以常用的兩種礦物摻合料——粉煤灰和礦粉為研究對(duì)象，采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)分別對(duì)兩種摻合料在不同添加方式或摻量下的水泥凈漿粘度進(jìn)行了測(cè)試，得到不同摻合料下的砂漿旋轉(zhuǎn)粘度數(shù)值，并分析摻合料對(duì)膠漿粘度的影響變化規(guī)律?；谀z漿粘度試驗(yàn)結(jié)果，更進(jìn)一步地驗(yàn)證不同摻合料對(duì)混凝土粘度的影響，旨在對(duì)高性能混凝土中正確合理使用礦物摻合料提供參考指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料選擇及基本性能測(cè)定

（1）水泥：試驗(yàn)選用陜西生態(tài)水泥股份有限公司的 P·O42.5 水泥，各項(xiàng)性能參數(shù)如表 1 所示。

表 1 水泥性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

（2）粉煤灰：試驗(yàn)所用粉煤灰為華能陜西秦嶺電廠生產(chǎn)的 Ⅱ 級(jí)粉煤灰，其部分性能檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表 2。

表 2 粉煤灰指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

（3）礦粉：試驗(yàn)所用 S95 級(jí)礦粉由陜西德龍實(shí)業(yè)有限公司提供，其部分性能檢測(cè)指標(biāo)如表 3 所示。

表 3 礦粉指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

（4）粗骨料：試驗(yàn)采用 5.0～31.5mm 連續(xù)級(jí)配卵石，其部分性能檢測(cè)指標(biāo)如表 4 所示。

表 4 粗骨料指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

（5）細(xì)骨料：試驗(yàn)采用中砂，其部分性能檢測(cè)指標(biāo)如表 5 所示。

表 5 細(xì)骨料指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

（6）外加劑：試驗(yàn)采用中建西部建設(shè)聚羧酸高性能減水劑，其性能指標(biāo)如表 6 所示。

表 6 外加劑指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2 性能測(cè)試方法

（1）水泥凈漿測(cè)量其流動(dòng)度，具體試驗(yàn)方法參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》的流動(dòng)度測(cè)試方法，水泥凈漿采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量其塑性粘度。

（2）粘度測(cè)定方法：先將被測(cè)的水泥凈漿小心注入測(cè)試容器，直至漿體表面達(dá)到錐形面下部邊緣，再將轉(zhuǎn)筒插入凈漿中直至完全浸沒(méi)。然后，將轉(zhuǎn)筒掛鉤懸掛于儀器過(guò)渡螺桿上。這時(shí)起動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)并從開(kāi)始晃動(dòng)到對(duì)準(zhǔn)中心，為加速對(duì)準(zhǔn)中心，可將測(cè)試器在托架上前后左右微量移動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定逐漸增大，并第一次出現(xiàn)下降時(shí)，讀出下降之前最大的數(shù)值即可。如果讀數(shù)百分比小于 10 時(shí)，應(yīng)當(dāng)調(diào)換直徑大一號(hào)的轉(zhuǎn)筒。

（3）混凝土工作性能試驗(yàn)方法參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?；炷涟韬衔镎扯葴y(cè)試：將坍落度筒倒放置于平整地面上，裝滿混凝土并抹平表面，從一瞬間提起坍落度筒開(kāi)始計(jì)時(shí)到可以從筒中第一時(shí)間看到光線透出為止，此段時(shí)間即為倒坍時(shí)間，用以表征混凝土的粘度。

2 水泥凈漿粘度試驗(yàn)

為了有效研究粉煤灰、礦粉作為摻合料對(duì)高性能混凝土粘度的影響，試驗(yàn)先通過(guò)固定膠凝材料總用量，在不同水膠比情況下，分別對(duì)單摻和雙摻摻合料的水泥凈漿粘度加以研究，單獨(dú)考慮摻合料的摻量和比例對(duì)水泥凈漿粘度的影響。以此為基礎(chǔ)，從而為摻合料對(duì)高性能混凝土粘度的影響研究提供理論依據(jù)。

職業(yè)技術(shù)競(jìng)賽是體現(xiàn)學(xué)生能力的重要途徑，也是體現(xiàn)教學(xué)效果的重要方式。環(huán)境類專業(yè)學(xué)生擬參加全國(guó)職業(yè)技術(shù)大賽，須進(jìn)行第一輪的理論考試、第二輪的實(shí)操考核、第三輪的小組選拔和第四輪的心理測(cè)試，最終選定2名參賽選手進(jìn)行重點(diǎn)培育和2名備選選手跟蹤培養(yǎng)，參賽選手的選拔過(guò)程見(jiàn)圖1。這種選拔方式雖然能夠體現(xiàn)強(qiáng)者更強(qiáng)的用人思路，但卻忽略了教育的普惠性[6]。為此，在設(shè)置專業(yè)實(shí)訓(xùn)上，以參賽學(xué)生帶動(dòng)和指導(dǎo)未參賽學(xué)生的形式，在3周的《環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理綜合實(shí)訓(xùn)》課程時(shí)間內(nèi)把平臺(tái)操作與計(jì)算推廣到全年級(jí)學(xué)生，從而惠及全年級(jí)學(xué)生，讓所有學(xué)生公平地享受教育資源。這既是教育的初衷，也是“以賽帶教、以賽促教”的重要體現(xiàn)。

2.1 單摻礦物摻合料水泥凈漿配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)選取生態(tài)普通硅酸鹽 42.5 水泥，并分別單獨(dú)摻入粉煤灰、礦粉，然后進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)度和粘度測(cè)試，在不同水膠比下，分析不同礦物摻合料及摻量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度和粘度的影響。

2.1.1 單摻粉煤灰的水泥凈漿粘度試驗(yàn)

本試驗(yàn)將粉煤灰作為摻合料，測(cè)定不同水膠比（0.3、0.35、0.4、0.45、0.50）下，分析粉煤灰不同摻量（0、15%、30%、45%、60%）分別對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度和粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 7 所示。

表 7 單摻粉煤灰水泥凈漿流動(dòng)度和粘度

2.1.2 單摻礦粉的水泥凈漿粘度試驗(yàn)

本試驗(yàn)將礦粉作為摻合料，測(cè)定不同水膠比（0.3、0.35、0.4、0.45、0.50）下，分析礦粉不同摻量（0、15%、30%、45%、60%）分別對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)度和粘度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 8 所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 單摻粉煤灰對(duì)水泥凈漿粘度的影響

從圖 1、圖 2 可以看出，單摻粉煤灰時(shí)，在不同水膠比下，隨著粉煤灰摻量的增加水泥凈漿的流動(dòng)度都不斷增大，粘度呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，并且當(dāng)水膠比越大時(shí)，這種變化趨勢(shì)越明顯。在水膠比為 0.5 時(shí)，粉煤灰摻量由 0 增大到 60%，此時(shí)粘度值降低了 87.3%。這說(shuō)明粉煤灰的摻入提高了漿體的流動(dòng)性，有效降低了水泥凈漿的粘度。其主要原因有三：其一，粉煤灰顆粒粒徑比水泥的要小、比表面積大，嵌入在水泥顆粒之間由于緊密堆積效應(yīng)，可以擠出水泥顆?？紫堕g填充水的量，有效增大凈漿的水膠比，提升漿體的流動(dòng)性；其二，通過(guò)原材料檢測(cè)數(shù)據(jù)可看出，粉煤灰的需水量比達(dá)到98%，水分吸附性很小，具有一定的減水作用，增大了砂漿的流變性能；其三，粉煤灰的主要成份為海綿玻璃體和鋁硅酸鹽玻璃微珠，這些球形的微珠均勻分布在水泥顆粒之中起到滾珠效應(yīng)，弱化了水泥顆粒之間的黏聚作用，使得水泥凈漿粘度不斷降低[11]。

表 8 單摻礦粉水泥凈漿流動(dòng)度和粘度

2.2.2 單摻礦粉對(duì)水泥膠漿粘度的影響

從圖 3、圖 4 可以看出，單摻礦粉時(shí)，在不同水膠比下，隨著礦粉摻量的增加水泥膠漿的流動(dòng)度都不斷減小，而粘度值卻不斷增大。這一變化規(guī)律與粉煤灰對(duì)水泥凈漿粘度的影響剛好相反。水膠比越低，隨著礦粉摻量的遞增粘度值增加幅度也越大。當(dāng)水膠比為 0.3，礦粉摻量由 0 增加到 60% 時(shí)，水泥凈漿的粘度值增大了59.0%。這說(shuō)明礦粉的摻入降低了漿體的流動(dòng)性，一定程度上增大了水泥凈漿的粘度。主要是由于礦粉細(xì)度高于水泥，根據(jù)原材料檢測(cè)結(jié)果比表面積為 430m2/kg，過(guò)大的比表面積導(dǎo)致顆粒表面裹覆的水分增加，使得需水量增大，而水泥凈漿中的總用水量不變，從而導(dǎo)致水泥凈漿的流動(dòng)性降低、粘度增大。

圖 1 單摻粉煤灰對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

圖 2 單摻粉煤灰對(duì)水泥凈漿粘度的影響

圖 3 單摻礦粉對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

圖 4 單摻礦粉對(duì)水泥凈漿粘度的影響

2.3 雙摻礦物摻合料的水泥凈漿粘度試驗(yàn)

為優(yōu)化粉煤灰和礦粉雙摻摻合料膠凝體系的組成，采用正交試驗(yàn)方法安排凈漿試驗(yàn)。選取粉煤灰摻量（0、15%、30%）、礦粉摻量（0、15%、30%）、水膠比（0.4、0.45、0.50）為影響因素，每因素設(shè)置三水平，設(shè)計(jì)為 L9(34) 正交表，考核指標(biāo)有凈漿流動(dòng)度和粘度。具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表 9，依據(jù)試驗(yàn)方案，分別摻入不同比例的粉煤灰和礦粉，然后進(jìn)行水泥凈漿粘度測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表 10，數(shù)據(jù)分析采用極差分析表（表11），從而得出影響水泥凈漿粘度的主次要因素。

表 9 摻粉煤灰和礦粉正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

從表 11 的極差直觀分析及曲線圖 5 表明：同時(shí)摻入粉煤灰和礦粉對(duì)水泥凈漿粘度的影響因素由大到小依次為：A＞C＞B（水膠比＞礦粉摻量＞粉煤灰摻量），即水膠比對(duì)同時(shí)摻入粉煤灰和礦粉的水泥凈漿的粘度影響最為顯著，較其他兩個(gè)因素（粉煤灰摻量和礦粉摻量）影響大得多，隨著水膠比增大，粘度逐漸減??；其次是礦粉摻量對(duì)水泥凈漿粘度的影響程度較高，而粉煤灰摻量對(duì)水泥凈漿粘度的影響程度最低、最不顯著。圖5 顯示，隨著水膠比的增大，凈漿流動(dòng)度大幅增加，而粘度急劇減小；當(dāng)在相同水膠比為 0.4 時(shí)，摻入等量的粉煤灰和礦粉，隨著摻量由 0 增大到 30%，流動(dòng)度減少了 5mm，相應(yīng)的粘度值增大了 2205mPa·s。這說(shuō)明在相同摻量情況下，基于單摻下各自的不同作用功效，礦粉的增粘作用要表現(xiàn)得更強(qiáng)烈一些。因此，礦粉的極差要大于粉煤灰，對(duì)水泥凈漿粘度的影響程度要稍大一些。

表 10 摻入粉煤灰和礦粉水泥凈漿粘度

表 11 摻粉煤灰和礦粉正交試驗(yàn) 直觀分析表

圖 5 雙摻摻合料對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度和粘度的影響

3 復(fù)摻礦物摻合料混凝土試驗(yàn)

固定單方混凝土中砂、石、水用量不變，分別為：700kg、1140kg、160kg。開(kāi)展試驗(yàn)分別測(cè)定單摻或雙摻粉煤灰、礦粉兩種礦物摻合料時(shí)，其不同摻量對(duì)混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和倒坍時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表12 所示。

表 12 復(fù)摻礦物摻合料混凝土粘度試驗(yàn)

通過(guò)圖 6～8 可以看出，在新拌高性能混凝土中，當(dāng)膠凝材料用量和水膠比一定時(shí)，與基準(zhǔn)混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和粘度比較后可知，單摻粉煤灰時(shí)，隨著粉煤灰摻量由 0 增加到 30%，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度逐漸變大，增加幅度分別為 10.9%、7.0%，而倒坍時(shí)間卻逐漸減小，即由 2.97s 降低到 2.01s，說(shuō)明粘度越來(lái)越小；單摻礦粉時(shí)，隨著礦粉摻量由 0 增加到 30%，混凝土的坍落度、擴(kuò)展度逐漸減小，降低幅度分別為2.2%、3.4%，而倒坍時(shí)間卻逐漸增大，即由 2.97s 增加到 3.52s，說(shuō)明粘度越來(lái)越大。

圖 6 混凝土坍落度

圖 7 混凝土擴(kuò)展度

圖 8 單摻摻合料倒坍時(shí)間

圖 9 雙摻摻合料倒坍時(shí)間

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可得出：在一定摻量范圍內(nèi)，粉煤灰可降低新拌高性能混凝土粘度，而礦粉卻具有相反的功效，這一規(guī)律與單摻礦物摻合料在水泥凈漿粘度試驗(yàn)結(jié)果中所表現(xiàn)出的規(guī)律具有一致性。

固定膠凝材料總量 400kg/m3，保持水膠比為 0.4 不變時(shí)，雙摻粉煤灰和礦粉按照不同搭配比例復(fù)合等量取代部分水泥后的倒坍時(shí)間如圖 9 所示。由圖可知：在粉煤灰摻量為 15%，當(dāng)復(fù)摻礦粉摻量為粉煤灰摻量 2 倍時(shí)，相對(duì)于單摻粉煤灰的新拌高性能混凝土倒坍時(shí)間減少了 0.32s；在礦粉摻量為 15%，當(dāng)粉煤灰摻量為礦粉摻量 2 倍時(shí)，相對(duì)于單摻礦粉的新拌高性能混凝土倒坍時(shí)間減少了 0.72s；而在粉煤灰和礦粉摻量相同都為 15% 時(shí)，混凝土的倒坍時(shí)間最短，小于兩者單摻時(shí)的坍落度值。這是由于：一方面，粉煤灰具有的形態(tài)效應(yīng)，內(nèi)含大量球狀玻璃微珠在拌合物中起到潤(rùn)滑作用，一定程度上可提升拌合料的流動(dòng)性；另一方面，高比表面積的礦粉水吸附性強(qiáng)，可增大拌合料的粘聚性，兩者以一定的比例復(fù)摻后可產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)，從而可以改善新拌混凝土的流動(dòng)性和粘聚性。當(dāng)粉煤灰和礦粉按不同比例復(fù)合后填充于水泥顆粒之間，優(yōu)化了顆粒之間的級(jí)配組成，降低了粒子之間的內(nèi)摩阻力，使得流動(dòng)性得到改善，而當(dāng)兩者摻量相同都為 15% 時(shí)，此時(shí)顆粒之間的級(jí)配組成趨于最優(yōu)，所以流動(dòng)性較好，倒坍時(shí)間最短，即粘度值最小。

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了不同礦物摻合料粉煤灰和礦粉，分別采用單摻與雙摻方式及不同摻加比例下對(duì)高性能混凝土粘度的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析得出以下結(jié)論：

（1）在水泥凈漿中摻入不同品種及摻量的礦物摻合料對(duì)膠漿粘度也會(huì)造成不同的影響。在不同水膠比下，單摻粉煤灰時(shí)，其水泥凈漿粘度隨著摻量的增加而減小，并且水膠比越大這種變化趨勢(shì)越明顯；而單摻礦粉時(shí)，其變化規(guī)律與粉煤灰對(duì)水泥凈漿粘度的影響剛好相反。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析方法，可得出雙摻粉煤灰和礦粉對(duì)水泥凈漿粘度影響因素的大小，其中水膠比最為顯著，礦粉次之，而粉煤灰影響程度最小。

（3）在新拌高性能混凝土中，保持膠材總量和水膠比不變，分別單摻粉煤灰、礦粉，可使混凝土粘度具有減小或增大兩種變化趨勢(shì)，與單摻礦物摻合料在水泥凈漿中的表現(xiàn)規(guī)律具有一致性。

（4）雙摻粉煤灰和礦粉，固定水膠比和膠材總量一定，當(dāng)兩者摻量互為倍數(shù)關(guān)系時(shí)，復(fù)合后的新拌高性能混凝土粘度降低，低于兩者單摻時(shí)的粘度值；當(dāng)粉煤灰與礦粉的摻加比例相同都為 15% 時(shí)，復(fù)合后的粘度值達(dá)到最小，此時(shí)兩者的顆粒級(jí)配組成趨于最優(yōu)。