超細粉煤灰對低水膠比復合膠凝材料漿體流動性的影響
近年來，具有優異力學性能和耐久性能的超高性能混凝土（以下簡稱UHPC）迅速發展，并開始在實際工程中大量應用。UHPC材料組成的顯著特點之一是低水膠比的膠凝材料漿體的體積分數大。低水膠比的膠凝材料漿體較黏稠，變形量大，流動緩慢，導致UHPC的工作性與普通混凝土有明顯差異。因此，探索低水膠比復合膠凝材料漿體的流動性能及其影響因素是研究其工作性的基礎。
膠凝材料的組成是影響漿體流動性和流變行為的主要因素之一。粉煤灰是常用的礦物摻合料之一，在配制UHPC時，為了獲得要求的力學性能，常使用超細粉煤灰或粉煤灰微珠。目前，超細粉煤灰對低水膠比復合水泥基材料漿體的流動性和流變行為的影響結論并未統一，影響機理也尚未明確。這是因為低水膠比的膠凝材料漿體具有剪切增稠或剪切稀化的特點，已偏離 Bingham模型描述的線性流變特性，而非線性的改進Bingham模型、Herchel-Bulkley模型、Casson模型等參數的物理意義不明確，計算過程復雜，給實際應用帶來困難。因此，關于低水膠比膠凝材料漿體的流變模型選擇和優化還需進一步研究。
近年來，復合膠凝材料漿體的流動性與流變性能的關系受到了學者們的廣泛關注。復合膠凝材料漿體的流動度、流動速率及流變參數存在一定相關性。建立復合膠凝材料漿體的流動性與流變性能的關系，能從理論上研究復合膠凝材料漿體的工作性變化規律，為探索實用性更好的復合膠凝材料漿體提供理論基礎。TREGGER等建立了漿體的流動度與屈服應力、流動時長與塑性黏度的關系式。MENG等[13]建立了適用于流動度為280 mm的新拌UHPC漿體塑性黏度與V型漏斗流出時間的關系式。然而，現階段摻超細粉煤灰的低水膠比復合膠凝材料漿體的流動性與流變性能關系的相關研究仍相對較少?；谡n題組前期研究結果，本文通過不同超細粉煤灰摻量、不同水膠比和不同硅灰摻量的復合膠凝材料漿體流動性和流變性測試，研究超細粉煤灰摻量的變化對低水膠比復合膠凝材料漿體流動性與流變性能的影響，分析流動性與流變性能的關系。
1.1? ?原材料
水泥：符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求的P·Ⅰ42.5級水泥，比表面積為347 m2/kg。
超細粉煤灰：符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和GB/T 18736—2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》要求的超細粉煤灰，比表面積為3.69×103 m2/kg。
硅灰：符合GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》要求的加密硅灰，比表面積為2.00×104 m2/kg。
? ? ? 膠凝材料的化學組成見表1，粒徑分布見圖1。
減水劑：減水率為32%的聚羧酸高效減水劑。
? ? ? 水：自來水。
1.2? ?試驗設計
試驗水膠比為0.16和0.18，減水劑摻量固定為膠凝材料質量的0.8%，硅灰摻量為膠凝材料質量的6%和8%，試驗配合比如表2所示，編號中C為超細粉煤灰的質量摻量（0、10%、20%、30%、40%）。
1.3? ?性能測試
漿體的流動性測試按GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行，根據測得的流動度和流動停止時的時間計算漿體的平均流動速率。
使用Brookfield RST-SST同軸雙圓筒流變儀進行漿體流變性能測試。圓柱形轉子的有效高度為37.5 mm，半徑為12.5 mm，外筒內壁半徑為13.56 mm，測試過程中外筒保持靜止。流變性能測試過程中的轉速變化見圖2，測試總時長為5.5 min，0～25 s轉速線性增加至50 r/min，25～205 s轉速保持不變，隨后轉速以5 r/min呈階梯式下降，每個轉速臺階保持15 s，待扭矩穩定后讀數。漿體的流變性能測試結果采用線性Bingham模型進行擬合，所得屈服應力均為負值，說明低水膠比的復合膠凝材料漿體具有非線性流變特性。據此，采用黎夢圓等提出的大流態混凝土指數型流變模型計算漿體的流變參數（包括增稠指數、黏度系數和屈服應力），當增稠指數大于1時，表明漿體具有剪切增稠特性。
漿體的流動性參數（流動度、流動時間和平均流動速率）和流變參數（黏度系數、屈服應力和增稠指數）如表3所示
2.1? ?超細粉煤灰摻量對漿體流動性與流變性能的影響
漿體的流動性（流動度、流動時長及平均流動速率）與超細粉煤灰摻量的關系分別見圖3～圖5。
由表3和圖3～圖5可知，超細粉煤灰摻量及硅灰摻量相同時，水膠比提高，漿體的流動度增大，流動時長變短，平均流動速率提高。水膠比由0.16提高為0.18時，超細粉煤灰摻量越高，漿體的流動度增量越小。
相同水膠比和硅灰摻量時，隨著超細粉煤灰摻量的增加，漿體的流動度增大，摻量超過20%后，流動度增幅逐漸變緩，漿體的流動時長先縮短，超過20%后逐漸延長（見圖4），但總體變化不大；漿體的平均流動速率先提高后逐漸下降。硅灰摻量相同時，水膠比為0.18的漿體流動速率較大，但變化幅度較小，說明水膠比為0.16的漿體更黏稠，變形速率低。由于超細粉煤灰的粒徑小于水泥，其比表面積約為水泥的10倍，摻加超細粉煤灰可以使膠凝材料的堆積密實度和平均比表面積增大，在超細粉煤灰摻量較低（＜20%）時，以膠凝材料堆積密實度增大為主要影響因素，原包裹在膠凝材料顆粒之間的水分被擠出，增加了可用于潤滑作用的水分，使漿體的流動性明顯增加；在超細粉煤灰摻量較高（≥20%）時，膠凝材料的平均比表面積明顯增大，膠凝材料顆粒表面覆蓋的水膜厚度減小，水膜的潤滑作用減弱，對漿體流動性的改善幅度降低。
復合膠凝材料漿體的流變性能（黏度系數、屈服應力及增稠指數）與超細粉煤灰摻量的關系分別如圖6～圖8所示。
由圖6和表3可知，0.16-6-C和0.18-8-C的黏度系數整體介于0.16-8-C與0.18-6-C的黏度系數之間；當超細粉煤灰摻量為0時，0.16-8-0的黏度系數為0.18-6-0的4倍左右，隨著超細粉煤灰摻量的增加，這種差異逐漸縮小，當超細粉煤灰摻量達到40%時，0.16-8-40%與0.18-6-40%的黏度系數大致相等，但前者仍大于后者；0.16-6-C與0.18-6-C、0.16-8-C與0.18-8-C之間也存在類似現象。說明當超細粉煤灰摻量相同時，水膠比越低或硅灰摻量越高，漿體的黏度系數越大，漿體越黏稠，流動速率降低。漿體的黏度系數隨超細粉煤灰摻量的增加而減小，且降幅變緩。超細粉煤灰為球狀顆粒，其摻量增加使膠凝材料顆粒間的摩擦力減小，進而降低了漿體的黏度系數；降幅逐漸變緩則說明超細粉煤灰摻量越高，其降黏效果越弱。當超細粉煤灰摻量增至30%后，繼續增加摻量，漿體的比表面積增大較多，膠凝材料顆粒表面的水膜厚度較薄，水膜的潤滑作用減弱，漿體的黏度系數降低不明顯。
由圖7和表3可知，水膠比減小或超細粉煤灰摻量增加，漿體的屈服應力增大，說明漿體的內聚力增大；硅灰摻量對漿體屈服應力的影響不明顯，這與其顆粒粒徑較小、摻量較少有關；硅灰摻量相同時，不同水膠比的漿體屈服應力差值隨著超細粉煤灰摻量的增加逐漸變大，但當摻量超過30%后，差值趨于穩定。
由圖8和表3可知，各組漿體的增稠指數均大于1，說明漿體具有剪切增稠的特點，應使用非線性流變模型擬合計算其流變參數。隨著超細粉煤灰摻量的增加，相同水膠比及硅灰摻量的漿體增稠指數逐漸提高，剪切增稠程度增加。當超細粉煤灰摻量小于30%時，隨著硅灰摻量的增加，漿體的增稠指數減??；當超細粉煤灰摻量大于30%時，各組漿體的增稠指數較為接近，說明超細粉煤灰摻量為30%可能是其有效影響漿體流變性能的上限值。
2.2? ?漿體的流動性和流變性能的關系
對不同超細粉煤灰摻量的漿體流動度與黏度系數試驗結果分別進行擬合，見圖9，分別得到漿體流動度-黏度系數的關系式，見式（1）～式（4）。
??由圖9和式（1）～式（4）可知，擬合方差分別為0.86、0.97、0.69、0.61。漿體的流動度與黏度系數呈線性負相關。相同流動度時，超細粉煤灰摻量越高，漿體的黏度系數越??；相同超細粉煤灰摻量時，流動度越大，漿體的黏度系數越小。上述規律均與文獻的結果相符。
由于未摻超細粉煤灰時，各組漿體的屈服應力均接近0，故對超細粉煤灰摻量為10%、20%、30%、40%的漿體流動度與屈服應力的試驗結果分別進行擬合，見圖10，分別得到漿體流動度-屈服應力的關系式，見式（5）～式(7）。
由圖10和式（5）～式（7）可知，擬合方差分別為0.71、0.74、0.84。相同流動度時，超細粉煤灰摻量越高，漿體的屈服應力越大；相同超細粉煤灰摻量時，流動度增大，漿體的屈服應力減小。相同流動度時，超細粉煤灰摻量增加，漿體的黏度系數減小，但屈服應力增大?？梢?，漿體流動度的大小同時受其黏度（黏度系數）和變形能力（屈服應力）的影響。
不同的超細粉煤灰摻量時，各組漿體的屈服應力與流動時長和平均流動速率的關系見圖11。
由圖11可知，摻10%的超細粉煤灰后，漿體的屈服應力增大，平均流動速率提高，而流動時長縮短；隨著超細粉煤灰摻量的增大，漿體的屈服應力不斷增大，流動時長延長，而平均流動速率在摻量為10%～20%時提高，20%～40%時下降。由于漿體只在外加應力超過其屈服應力時開始流動，屈服應力越大，漿體越不容易發生變形，流動時長相應延長。
圖12為各組漿體的黏度系數與其流動時長和平均流動速率的關系。由圖12可知，超細粉煤灰摻量由0增至20%時，漿體的黏度系數減小，平均流動速率逐漸提高，流動時長在摻量為0～10%時縮短，10%～20%時延長；繼續提高超細粉煤灰摻量，漿體的平均流動速率下降，流動時長延長?？梢?，漿體的流動速度與其黏度相關（本文所得的黏度系數是與流體微分黏度有關的參數，可用以表征漿體的黏度），黏度系數減小，平均流動速率提高，而超細粉煤灰摻量超過30%后，漿體的平均流動速率下降幅度較大。說明過高的超細粉煤灰摻量可能導致漿體的黏度增大。綜上，超細粉煤灰摻量低于20%時，漿體的黏度增幅與平均流動速率降幅明顯，超過30%后流動時長明顯延長，當摻量為20%～30%時，漿體整體具有相對較好的流動性與流變性能。
? ? ? ? （1）相同水膠比和硅灰摻量時，漿體的流動度隨超細粉煤灰摻量的增加而增大，但增幅變緩，流動時長先縮短后逐漸延長，平均流動速率先提高后逐漸下降。
?。?）相同水膠比和硅灰摻量時，隨著超細粉煤灰摻量的增加，漿體的黏度系數減小，且降幅變緩，屈服應力增大，剪切增稠性增強。
?。?）相同的超細粉煤灰摻量時，漿體的流動度-黏度系數和流動度-屈服應力均呈負相關，黏度系數或屈服應力減小，漿體的流動度增大；相同的流動度時，超細粉煤灰摻量較高時，漿體的黏度系數減小，屈服應力增大。漿體流動度同時受其黏度和變形能力的影響
Release time : 2023-07-25
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