大理石粉顆粒叢特性對(duì)水泥漿體流變性能影響

肖 佳，何彥琪，王大富

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

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大理石粉顆粒叢特性對(duì)水泥漿體流變性能影響

肖 佳，何彥琪，王大富

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410075)

試驗(yàn)研究了水泥-大理石粉漿體剪切應(yīng)力和塑性黏度隨剪切速率變化的規(guī)律，使用Bingham流體模型和Power Law流體模型分別對(duì)漿體低剪切速率和高剪切速率階段的剪切應(yīng)力進(jìn)行擬合，得到漿體屈服應(yīng)力，塑性黏度系數(shù)。探究了水泥-大理石粉顆粒叢特性即顆粒分布寬度、顆粒數(shù)密度、總比表面積和Zeta電位與漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的關(guān)系。研究結(jié)果表明：大理石粉比表面積小于640 m2/kg時(shí)，起到稀化漿體的作用，大于640 m2/kg時(shí)起稠化作用，且稀化或稠化的作用隨其摻量的增加而增大。漿體中顆粒間接觸點(diǎn)數(shù)量和固-液相接觸面積增大使?jié){體屈服應(yīng)力，塑性黏度提高。大理石粉降低了水泥漿體Zeta電位，漿體中粒子間靜電作用力減弱，對(duì)流動(dòng)性起到削弱作用。

流變性能； 大理石粉； 顆粒叢特性； Zeta電位

1 引 言

我國(guó)大理石資源豐富，應(yīng)用廣泛，產(chǎn)量巨大，2014年我國(guó)天然大理石建筑板材產(chǎn)量達(dá)到3.03億平方米，然其開(kāi)采與加工過(guò)程中產(chǎn)生約占原石材20%～50%的廢料，將其磨細(xì)作混凝土礦物摻合料可解決大理石行業(yè)面臨的資源浪費(fèi)和環(huán)境破壞的問(wèn)題，同時(shí)將推動(dòng)混凝土行業(yè)的綠色及可持續(xù)發(fā)展。

大理石粉摻入水泥基材料中必然對(duì)其工作性能產(chǎn)生影響，研究顯示大理石粉對(duì)水泥水化無(wú)明顯作用[1-4]，其影響主要體現(xiàn)在對(duì)漿體的顆粒叢特性的改變上，單位漿體顆粒間接觸點(diǎn)數(shù)量和固-液相間接觸面積的大小與漿體流動(dòng)耗能具有一定的滲流關(guān)系，是影響其流變特性的重要因素[5-7]。漿體Zeta電位同樣影響粒子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定[8-10]，因此本文研究了大理石粉在不同摻量及細(xì)度下水泥漿體屈服應(yīng)力、塑性黏度系數(shù)的變化規(guī)律，探討了單位漿體顆粒數(shù)密度、總比表面積和漿體Zeta電位與水泥漿體流變特性的關(guān)系，以期得到水泥-大理石粉顆粒叢特性對(duì)其漿體流變性能的影響規(guī)律，為大理石粉在水泥基材料中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

水泥采用中國(guó)聯(lián)合水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P·Ⅰ42.5基準(zhǔn)水泥，其物理力學(xué)性能及化學(xué)成分見(jiàn)表1，表2。大理石粉CaCO3含量為95.94%，勃氏比表面積分別為324、604、810和1278 m2/kg，依次記為MⅠ、MⅡ、MⅢ和MⅣ，水泥和大理石粉的顆粒級(jí)配如圖1所示。試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

表1 水泥的物理力學(xué)性能Tab.1 Physical and mechanical properties of the cement

表2 水泥化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of the cement /%

圖1 水泥和大理石粉的顆粒分布(a)粒度分布曲線;(b)粒度累計(jì)曲線Fig.1 Particle size distribution of the cement and ground marble

2.2 試驗(yàn)方法

在室溫、相對(duì)濕度為70%的條件下，如表3配制水泥-大理石粉漿體，采用奧地利Anton Paar公司生產(chǎn)的RHEORIAB QC型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定其流變性能，采用美國(guó)Colloidal Dynamics公司生產(chǎn)的Zeta電位儀測(cè)定其Zeta電位。采用MALVERN公司的MASTERSIZER 2000激光粒度儀對(duì)水泥和大理石粉進(jìn)行粒度分析。

表3 水泥-大理石粉凈漿試驗(yàn)配合比Tab.3 Mix proportions of the cement pastes with ground marble

3 結(jié)果與討論

圖2 純水泥漿體的τ-γ曲線Fig.2 τ-γ of the cement pastes

3.1 水泥-大理石粉漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度

新拌水泥-大理石粉漿體處于懸浮狀態(tài)，顆粒間主要以范德華分子引力形成強(qiáng)度較小的凝聚結(jié)構(gòu)，打破這種結(jié)構(gòu)需大于特定的外力閥值，即漿體的屈服應(yīng)力τ0。圖2為純水泥漿體τ-γ曲線，低剪切速率時(shí)，隨剪切速率增大，水泥漿體剪切應(yīng)力快速升高，表觀黏度快速下降，表現(xiàn)為剪切變稀，隨剪切速率繼續(xù)增大，剪切應(yīng)力呈線性緩慢增大，表觀黏度緩慢降低，且趨于穩(wěn)定，故其屬于屈服-假塑性流體，摻入大理石粉不改變水泥漿流體模型。

表4 水泥-大理石粉顆粒叢特性參數(shù)及其漿體流變性參數(shù)Tab.4 Rheological & particle cluster characteristic parameters of the cement-ground marble pastes

新拌水泥漿體通常采用Bingham流體模型τ=τ0+k×γ擬合，其中τ(Pa)為剪切應(yīng)力，τ0(Pa)為屈服應(yīng)力，γ(s-1)為剪切速率，但由于水泥漿體剪切應(yīng)力增長(zhǎng)速率在低、高剪切速率階段差異較大，采用該模型擬合得出的τ0將大于實(shí)際屈服應(yīng)力值，故僅在低剪切速率(γ<7.2 s-1)階段采用Bingham流體模型以得到漿體屈服應(yīng)力。因漿體屬屈服-假塑性流體，整體符合Power Law流體模型τ=η×γm，采用Power Law模型對(duì)漿體整體剪切階段擬合得到漿體塑性黏度系數(shù)η(Pa·sn)，用以表征漿體塑性黏度。同理，可擬合出水泥-大理石粉漿體的各流變參數(shù)，列于表4。

如圖3所示，水泥-大理石粉漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨大理石粉細(xì)度的增大而增大。

大理石粉比表面積小于640 m2/kg時(shí)，水泥漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度降低，此時(shí)大理石粉起到稀化漿體的作用，且摻量越大，效果越明顯，反之，當(dāng)大理石粉比表面積大于約640 m2/kg時(shí)，其對(duì)水泥漿體起稠化作用，使?jié){體屈服應(yīng)力和塑性黏度增大，且摻量越大，效果越明顯。

圖3 大理石粉細(xì)度對(duì)水泥漿體屈服應(yīng)力(a)、塑性黏度(b)的影響Fig.3 Effect of fineness of ground marble to yield stress and consistency coefficientof the cement pastes

3.2 大理石粉顆粒叢特性與漿體流變性能關(guān)系

不同細(xì)度和摻量的大理石粉對(duì)于水泥漿體流變性能的影響趨勢(shì)不同甚至相反，因此采用摻量和細(xì)度這兩個(gè)描述礦物摻合料自身宏觀特性的變量難以準(zhǔn)確的分析大理石粉對(duì)水泥漿體流變性的影響，這也解釋了以往不同研究中出現(xiàn)的同一種礦物摻合料產(chǎn)生增稠或稀化兩種不同效果的原因。對(duì)處于懸浮階段的水泥漿體，礦物摻合料的摻入本質(zhì)上改變了漿體的顆粒叢特性，包括顆粒級(jí)配，單位體積顆粒總比表面積，顆粒數(shù)密度等[5-7]，礦物摻合料顆粒表面物理化學(xué)特性的不同也在一定程度上改變了漿體的內(nèi)聚能，從而對(duì)漿體流變性能也產(chǎn)生一定影響[8-10]。

圖4 水泥顆粒的RRB方程擬合 Fig.4 Fitting of cement particle size in the RRB equation

圖5 均勻性系數(shù)與與漿體屈服應(yīng)力的關(guān)系Fig.5 Relationship between n and τ0

研究[5]表明球磨制備粉體符合Rosin-Rammler-Bennet(RRB)分布模型，該分布為球磨粉體生產(chǎn)領(lǐng)域最為廣泛的分布模型，水泥和大理石粉顆粒均可采用RRB分布模型進(jìn)行擬合分析，其方程為R(D)=100exp[-(D/De)n]，其中，R(D)為直徑為D的篩孔上的累積篩余質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，(%)，De為特征粒徑，其值為篩余量為36.8%時(shí)對(duì)應(yīng)的篩孔尺寸，(μm)，用以表征粉體粒度的大小；n為均勻性系數(shù)，表征顆粒群分散程度，其值越大表示顆粒分布越窄，顆粒越均勻，反之亦然。如圖4所示，采用RRB方程對(duì)水泥-大理石粉體系顆粒群進(jìn)行最小二乘法擬合得到n值，列于表4。同時(shí)，在假設(shè)漿體中顆粒均勻分布且沒(méi)有氣泡存在的情況下，可計(jì)算得到單位漿體中顆粒總比表面積和粒子數(shù)密度，結(jié)果見(jiàn)表4。圖5為水泥-大理石粉漿體的顆粒均勻性系數(shù)與屈服應(yīng)力之間的關(guān)系(因大理石粉對(duì)水泥漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度的影響規(guī)律一致，故此處只探討不同因素其對(duì)屈服應(yīng)力的影響規(guī)律)，均勻性系數(shù)和屈服應(yīng)力存在一定的滲流關(guān)系，屈服應(yīng)力隨均勻性系數(shù)的增大而增大，即顆粒分布越窄，漿體屈服應(yīng)力越大。圖6為單位體積總比表面積和顆粒數(shù)密度與漿體屈服應(yīng)力的關(guān)系，總比表面積和顆粒數(shù)密度與漿體屈服應(yīng)力均存在一定的線性正相關(guān)關(guān)系，前者相關(guān)性系數(shù)較低，后者相關(guān)性系數(shù)較高。單位漿體顆粒數(shù)密度越大，顆粒間接觸點(diǎn)增多，顆粒間聯(lián)系作用的增強(qiáng)使得漿體屈服應(yīng)力，塑性黏度提高。

圖6 單位體積總比表面積和顆粒數(shù)密度與漿體屈服應(yīng)力的關(guān)系Fig.6 Relationship between total surface area, particle number density and yield stress

水泥漿體中固體顆粒表面帶電性能也是影響漿體流變性能的重要因素[8-10]。新拌水泥漿體是表面帶雙電層的固相顆粒分散體系，其流變特性就決定于這些離子間的相互作用。

圖7 單位體積總比表面積和漿體Zeta電位的關(guān)系Fig.7 Relationship between total surface area and zeta potential of pastes

測(cè)試結(jié)果顯示水泥漿體的Zeta電位為負(fù)值，大理石粉漿體Zeta電位為正值，如圖7所示，單位體積漿體內(nèi)顆粒總比表面積與水泥-大理石粉漿體Zeta電位存在線性關(guān)系，總比表面積越大，漿體Zeta電位(絕對(duì)值)越小。漿體中水泥顆粒與大理石粉顆粒所帶電荷相反，兩者受靜電力作用相互吸附黏聚，粒子間分散作用減弱，粒子相對(duì)滑動(dòng)所需能量增高，漿體流動(dòng)性能降低。當(dāng)摻入大理石粉的比表面積較小時(shí)，單位漿體中顆粒密度較純水泥漿體中顆粒密度變化較小，甚至降低顆粒密度，較大石粉顆粒與水泥顆粒不易形成黏聚體，對(duì)漿體流動(dòng)性影響較小。當(dāng)大理石粉比表面積較大時(shí)，漿體中顆粒密度顯著增大，大理石粉更易與水泥顆粒黏聚形成粒子團(tuán)，漿體屈服應(yīng)力降低，宏觀流動(dòng)性能減弱。

4 結(jié) 論

(1)水泥-大理石粉漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度均隨大理石粉細(xì)度的增大而增大；大理石粉比表面積小于640 m2/kg時(shí)，對(duì)水泥漿體起稀化作用，增大漿體的流變性，比表面積大于640 m2/kg時(shí)，對(duì)水泥漿體起稠化作用，降低漿體流變性。大理石粉摻量越大，其對(duì)水泥漿體流變性影響越大。

(2)單位漿體內(nèi)顆粒總比表面積和顆粒數(shù)密度與漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度存在一定的線性正相關(guān)關(guān)系，顆粒間接觸點(diǎn)增多以及固-液相接觸面積增大均使顆粒間聯(lián)系作用增強(qiáng)，漿體屈服應(yīng)力，塑性黏度提高。

(3)大理石粉使水泥漿體Zeta電位降低，粒子間相互吸附黏聚，漿體流動(dòng)消耗能量增加，屈服應(yīng)力和塑性黏度增大，流動(dòng)性能降低。

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Relationship between the Particle Swarm Characteristics of Cement-ground Marble Pastes and Its Rheological Properties

XIAOJia,HEYan-qi,WANGDa-fu

(School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

The cement-marble slurry shear stress and plastic viscosity variation with shear rate law were studied. The yield stress and the plastic viscosity coefficient were obtained by fitting the shear stress in the low shear rate with the Bingham fluid model and fitting the shear stress in high shear rate with the Law Power fluid model.The relationship between the distribution width, the number density of particles, the total specific surface area and the Zeta potentialthe with yield stress and plastic viscosity of cement-grouble marble pastes were explored. The results show that: ground marble play a role in the slurry when its surface area were less than 640 m2/kg, and play a role in the thickening of the paste,and dilute or thickening effect increases with the content of ground marble increase. The yield stress and plastic viscosity increase with the increase of the indirect contact number of particles contact area of solid and liquid.Marble powder can reduce the Zeta potential of cement paste,therefor the flow property is weakened because of the electrostatic force between particles in the slurry was reduced.

rheological property;ground marble;particle swarm characteristics;Zeta potential

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278497)

肖 佳(1964-)，女，教授，博士.主要從事高性能混凝土及新型建筑材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)08-2537-06