楊奕菲，劉嘉良，鞏 璇，周理安，李 飛

（北京建筑大學(xué) 北京節(jié)能減排與城鄉(xiāng)可持續(xù)發(fā)展省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100044）

0 引言

隨著我國基建事業(yè)的發(fā)展，粉煤灰、?；郀t礦渣礦粉等活性摻合料供應(yīng)日益緊張，同時隨著機(jī)制砂的應(yīng)用，產(chǎn)生了大量石粉，從而加重環(huán)境負(fù)擔(dān)。本文開展了石粉對水泥基材料流變性能的影響研究，旨在解決機(jī)制砂石粉廢料的處理和活性礦物摻合料供應(yīng)短缺的問題。已有研究［1－2］表明，石灰石粉摻入混凝土中可以起到良好的密實填充作用，對水泥基材料工作性的改善作用顯著。但目前研究大多集中在石灰石粉，對花崗巖等其他巖性的石粉研究較少。本文選取五種不同類型的石粉，圍繞其對水泥凈漿性能的影響展開研究。

1 試驗

1.1 試驗原材料

本試驗中使用的水泥為北京金隅公司生產(chǎn)的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥性能符合GB175－2007 《通用硅酸水泥》 要求，基本性能試驗結(jié)果見表1。

表1 水泥基本性能試驗結(jié)果Table 1 Basic performance test results of cement

本試驗用石粉由五種不同的巖石經(jīng)球磨機(jī)粉磨而成，分別為石灰?guī)r、白云巖、凝灰?guī)r及兩種不同花崗巖（本文記為花崗巖a、花崗巖b 以區(qū)分）。石粉MB 值采用GB／T30190－2013 《石灰石粉混凝土》 的方法測定，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 石粉MB 值測試結(jié)果Table 2 MB value test results of stone powder

本試驗用外加劑為聚羧酸減水劑，固含量為20%。

1.2 試驗方法

（1） 凝結(jié)時間： 含石粉的水泥凈漿的凝結(jié)時間按（GB／T1346－2011） 《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》 測定。

（2） 流動度： 參照（GB／T8077－2012） 《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》 分別按20%的摻量替代水泥做凈漿試驗，研究石粉對水泥凈漿流動度及經(jīng)時流動度損失的影響。

（3） 流變性能： 采用美國BROOKFIELD 生產(chǎn)的RST－SST 型Rheo3000 旋轉(zhuǎn)流變儀，測試得到剪切應(yīng)力隨剪切速率的變化趨勢，測試的過程主要分為兩個階段： 預(yù)剪切階段、數(shù)據(jù)測試階段。進(jìn)行預(yù)剪切的目的是讓各個凈漿在流變測試前應(yīng)保持一致的剪切狀態(tài)。在測試凈漿剪切應(yīng)力曲線時，測試過程中轉(zhuǎn)子剪切速率要在第一個250 s 內(nèi)先由5 r／min 加速到150 r／min，在第二個250 s 內(nèi)由150 r／min降至5 r／min，其中第一個250 s 為預(yù)剪切階段，第二個250 s 為數(shù)據(jù)采集階段，每10 s 捕捉一個數(shù)據(jù)點，由此可得剪切速率－剪切應(yīng)力的上行和下行關(guān)系曲線，對下行曲線的試驗數(shù)據(jù)使用常見的賓漢姆流變模型進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 石粉對凈漿流動度的影響

為研究不同巖性石粉對新拌水泥凈漿的流動度以及經(jīng)時流動損失的影響，試驗固定配合比不變，以石粉的巖性種類為變量，對比石灰?guī)r、花崗巖a、花崗巖b、白云巖、凝灰?guī)r五種不同巖性石粉水泥凈漿流動度的差異，其中石粉摻量均為20%，試驗配合比設(shè)計及試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 水泥凈漿配合比及試驗結(jié)果Table 3 Mix proportion of cement paste and test results

結(jié)合表3 和圖1 可知，石灰?guī)r等鈣質(zhì)石粉較凝灰?guī)r、花崗巖等硅質(zhì)石粉，MB 值總體偏低，鈣質(zhì)石粉凈漿流動度明顯高于硅質(zhì)石粉。這與李科成等人的研究一致［3］。當(dāng)不摻加石粉時，凈漿流動度為165 mm，摻加了20%石灰石粉和白云石粉時，流動度有不同程度的增加，利于凈漿的流動； 而當(dāng)凝灰?guī)r、花崗巖a 及花崗巖b 等石粉加入時，流動度均有不同程度的下降，這是因為其在拌合時會吸附凈漿中的水和減水劑，導(dǎo)致凈漿變稠，不利于凈漿流動。而白云巖石粉和石灰?guī)r石粉吸附性較小，且粉粒表面較為圓滑，在新拌凈漿中起到“滾珠軸承” 的作用，利于凈漿流動。MB 值的大小可以反映石粉作為礦物摻合料在新拌凈漿中的吸附能力。從而影響凈漿的流動度與塑性黏度［4］。

石灰石粉對減水劑的吸附作用較弱，可使水泥顆粒更加分散，凈漿絮凝結(jié)構(gòu)減少，并且抑制了水泥水化初期的交叉連生［5］，石粉－水泥凈漿的初始流動度較基準(zhǔn)組提高了7%。隨著時間的增加，石灰?guī)r石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為160 mm、135 mm、120 mm 和100 mm，流動度較初始狀態(tài)分別下降了9.6%、23.7%、32.2%、43.5%。這主要是由于石灰?guī)r石粉的填充和分散作用使有效水膠比增大，水泥顆粒更加分散，減少了凈漿絮凝結(jié)構(gòu)，提高了初始流動度； 而石粉摻量過高時上述促進(jìn)作用有所減弱［6］。白云巖與石灰?guī)r石粉對于凈漿的影響趨勢是相同的，初始流動度較基準(zhǔn)組提高了7.9%，隨時間的增加，凈漿流動度也同樣呈下降趨勢。

隨著花崗巖a 石粉摻量的增加，復(fù)合凈漿初始流動度下降十分明顯，較基準(zhǔn)組下降了15%?；◢弾r石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為112 mm、100 mm、95 mm和85 mm。較初始狀態(tài)分別下降了20%、29%、32%、39%。初始流動度較基準(zhǔn)組降低了15%，這可能與石粉的組成和顆粒形貌有關(guān)，導(dǎo)致經(jīng)時損失較大?；◢弾rb 對于凈漿的影響與花崗巖a 趨勢相同，初始流動度降低，隨時間變化的經(jīng)時流動度也降低?；◢弾r石粉含有較多云母，對減水劑吸附量大，使復(fù)合膠凝材料凈漿工作性能大幅度降低，因此花崗巖石粉摻量不宜過大。

凝灰?guī)r石粉的摻入同樣降低了凈漿的初始流動度，較基準(zhǔn)組下降了12%。凝灰?guī)r石粉－水泥凈漿在30 min、60 min、90 min、120 min 時的流動度分別為115 mm、108 mm、103 mm 和95 mm。較初始狀態(tài)分別下降了21%，26%，29%，34%。凝灰?guī)r石粉粒徑較大，顆粒分布較寬，粉體堆積時不緊密，因此復(fù)合膠凝材料凈漿初始流動度降低，但凝灰?guī)r石粉的減水劑吸附率隨時間增加，導(dǎo)致復(fù)合膠凝材料凈漿的經(jīng)時流動度降低。

如圖1 所示，對比5 種石粉凈漿的經(jīng)時流動度變化，石灰?guī)r、白云巖兩種石粉凈漿較其他三種石粉初始流動度較高，但經(jīng)時損失較大，在90 min后流動度反而低于花崗巖b。凝灰?guī)r及兩種花崗巖石粉凈漿雖然初始流動度較低，但經(jīng)時變化較為穩(wěn)定，在2 h 內(nèi)的大小關(guān)系并未改變。

2.2 石粉對凈漿流變特性的影響

水泥凈漿流變性能測試結(jié)果如圖2 所示，可以看出： 不同巖性石粉對凈漿的剪切應(yīng)力－剪切速率曲線的影響是不同的。五種巖性的石粉剪切應(yīng)力均隨剪切速率增大而增大，石灰?guī)r石粉與白云巖石粉顆粒間的斥力作用較強(qiáng)，顆粒更易于分散，可大幅減少水泥凈漿中的絮凝結(jié)構(gòu)，降低水泥凈漿塑性黏度和屈服應(yīng)力［7］。

圖2 石粉巖性對凈漿剪切應(yīng)力的影響Fig.2 Effect of lithology of stone powder on shear stress of slurry

由圖3、圖4 可知，石粉－水泥凈漿在一定程度上，其MB 值是與屈服應(yīng)力呈線性關(guān)系的，擬合過程中的相關(guān)系數(shù)為0.85，MB 值與塑性黏度擬合過程中，相關(guān)系數(shù)為0.95，說明相關(guān)性較大，石粉的吸附性對凈漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度是有影響的，可以通過控制石粉的MB 值來達(dá)到控制凈漿屈服應(yīng)力和塑性黏度在一定范圍內(nèi)的大小，擇優(yōu)選擇石粉去替代水泥在凈漿中的作用。

圖3 石粉MB 值對凈漿屈服應(yīng)力的影響Fig.3 Effect of MB value of stone powder on yield stress of slurry

圖4 石粉MB 值對凈漿塑性黏度的影響Fig.4 Effect of MB value of stone powder on plastic viscosity of slurry

石灰?guī)r石粉的加入使凈漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度有較大幅度降低。白云巖與石灰?guī)r石粉對于凈漿的影響趨勢相同，但總體沒有石灰?guī)r石粉對凈漿兩個流變參數(shù)變化大。花崗巖a 和花崗巖b 石粉對石粉－水泥凈漿的屈服應(yīng)力與塑性黏度的降低幅度較大。凝灰?guī)r石粉－水泥凈漿相較于純水泥凈漿，屈服應(yīng)力下降，而塑性黏度有所增加。

凈漿的觸變性可以用觸變環(huán)面積的大小表征，反映凈漿產(chǎn)生流動時破壞絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需能量的大?。?］。摻加20%花崗巖a 石粉的凈漿的流變曲線和觸變環(huán)面積如表4 和圖5 所示。由圖可知，隨著時間的增長，摻量20%的花崗巖石粉－水泥凈漿的觸變環(huán)面積呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。原因如下： 一方面，由于石粉填充在水泥顆粒之間，導(dǎo)致凈漿內(nèi)部顆粒間距變小結(jié)構(gòu)更為緊湊，水泥顆粒和石粉顆粒在范德華力和靜電作用下，更容易形成絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 另外，花崗巖石粉較大的比表面積，為水泥凈漿內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供了更多的接觸點，使得水泥凈漿內(nèi)部的絮凝結(jié)構(gòu)更加密實穩(wěn)固。凈漿內(nèi)部的絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，凈漿流動時破壞絮凝結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)所需要的能量越多，凈漿的觸變性越強(qiáng)。

圖5 花崗巖a－石粉凈漿兩小時經(jīng)時流變特性變化Fig.5 Variation of rheological properties of cement paste with granite a in two hours

表4 花崗巖a－石粉凈漿觸變環(huán)面積Table 4 Thixotropic ring area of cement paste with granite a

如圖6 可知，石灰?guī)r和白云巖石粉使凈漿的初凝和終凝時間均低于基準(zhǔn)組。這與魏澤雨［9］等人的研究結(jié)果一致?；◢弾ra 和凝灰?guī)r以及花崗巖b 石粉延長了凈漿的初凝時間，終凝時間略有縮短。石灰?guī)r石粉可降低水泥水化反應(yīng)的壁壘，促進(jìn)早期水化產(chǎn)物的生長和沉淀，又可與水泥中的鋁相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在晶核作用和化學(xué)作用共同影響下，石灰?guī)r石粉及白云巖石粉縮短了凈漿的凝結(jié)時間，隨石粉細(xì)度增大，晶核作用和化學(xué)作用增強(qiáng)，進(jìn)一步縮短了凝結(jié)時間［10］； 凝灰?guī)r、花崗巖a 和花崗巖b 石粉自身活性較低，等質(zhì)量替代水泥后水化產(chǎn)物C－S－H 凝膠減少，導(dǎo)致初凝結(jié)時間增加。進(jìn)而表現(xiàn)為石灰?guī)r和白云巖的加入縮短了初、終凝時間，凝灰?guī)r、兩種花崗巖石粉的加入延長了初凝時間，對終凝時間影響不大。

圖6 不同石粉對凈漿凝結(jié)時間的影響F ig.6 Effect of different stone powder on setting time of clean slurry

3 結(jié)論

本文通過試驗分析不同巖性石粉對新拌水泥凈漿性能的影響，得出以下結(jié)論：

（1） 石粉MB 值越大，其吸附性越強(qiáng)，凈漿流動度隨之減小，且水泥凈漿的塑性黏度和屈服應(yīng)力與石粉MB 值存在良好的線性相關(guān)性。

（2） 摻入20%的石灰?guī)r、白云巖石粉可以增大凈漿初始流動度，摻入20%的凝灰?guī)r和花崗巖會降低凈漿初始流動度，但摻石灰?guī)r和白云巖石粉的凈漿流動度經(jīng)時損失較高。

（3） 石灰石粉、白云石粉的加入可以縮短復(fù)合凈漿的初凝時間與終凝時間。花崗石1 石粉、凝灰石粉和花崗巖b 石粉會延長復(fù)合凈漿的初凝時間。