礦物摻合料對高性能混凝土粘度影響研究*

童小根，劉行宇，張凱峰，劉榮輝，劉彥輝

（中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710063）

0 前言

隨著混凝土結構形式的多樣化發展，各種超高層、超跨度、超大型混凝土構筑物，以及在特殊環境下使用的重大混凝土結構被大量建造，使得工程混凝土對工作性、耐久性和體積穩定性提出了越來越高的要求，高性能混凝土以其獨特的優越性在混凝土施工中得到了廣泛的應用[1-3]。為滿足高性能混凝土的性能要求，采用高標號水泥和提高水泥用量的傳統配合比設計方法存在諸多問題。水泥用量過大會導致凝結硬化時間縮短，短時間內水化放熱量迅速增加，不利于混凝土工作性的長時間保持，而且也會增大混凝土收縮開裂的風險[4]。近年來，利用活性礦物摻合料來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程中不可或缺的重要組成部分[5-6]。然而，礦物摻合料對高性能混凝土粘度影響的相關研究成果卻鮮有報道。摻合料若使用不當，造成混凝土粘度過大，流動性下降，容易引發混凝土攪拌時間過長，泵送壓力過大，不易振搗；而當混凝土粘度過低時，易導致混凝土出現粘聚性差，離析、泌水等多種不良問題，從而很大程度上限制了高性能混凝土的推廣與應用[7-10]。

針對上述問題，本文以常用的兩種礦物摻合料——粉煤灰和礦粉為研究對象，采用旋轉粘度計分別對兩種摻合料在不同添加方式或摻量下的水泥凈漿粘度進行了測試，得到不同摻合料下的砂漿旋轉粘度數值，并分析摻合料對膠漿粘度的影響變化規律。基于膠漿粘度試驗結果，更進一步地驗證不同摻合料對混凝土粘度的影響，旨在對高性能混凝土中正確合理使用礦物摻合料提供參考指導。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料選擇及基本性能測定

（1）水泥：試驗選用陜西生態水泥股份有限公司的 P·O42.5 水泥，各項性能參數如表 1 所示。

表 1 水泥性能指標檢測結果

（2）粉煤灰：試驗所用粉煤灰為華能陜西秦嶺電廠生產的 Ⅱ 級粉煤灰，其部分性能檢測指標見表 2。

表 2 粉煤灰指標檢測結果

（3）礦粉：試驗所用 S95 級礦粉由陜西德龍實業有限公司提供，其部分性能檢測指標如表 3 所示。

表 3 礦粉指標檢測結果

（4）粗骨料：試驗采用 5.0～31.5mm 連續級配卵石，其部分性能檢測指標如表 4 所示。

表 4 粗骨料指標檢測結果

（5）細骨料：試驗采用中砂，其部分性能檢測指標如表 5 所示。

表 5 細骨料指標檢測結果

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

表 6 外加劑指標檢測結果

1.2 性能測試方法

（1）水泥凈漿測量其流動度，具體試驗方法參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》的流動度測試方法，水泥凈漿采用旋轉粘度計測量其塑性粘度。

（2）粘度測定方法：先將被測的水泥凈漿小心注入測試容器，直至漿體表面達到錐形面下部邊緣，再將轉筒插入凈漿中直至完全浸沒。然后，將轉筒掛鉤懸掛于儀器過渡螺桿上。這時起動電機，轉筒旋轉并從開始晃動到對準中心，為加速對準中心，可將測試器在托架上前后左右微量移動，當數據穩定逐漸增大，并第一次出現下降時，讀出下降之前最大的數值即可。如果讀數百分比小于 10 時，應當調換直徑大一號的轉筒。

（3）混凝土工作性能試驗方法參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行。混凝土拌合物粘度測試：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始計時到可以從筒中第一時間看到光線透出為止，此段時間即為倒坍時間，用以表征混凝土的粘度。

2 水泥凈漿粘度試驗

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

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2.1 單摻礦物摻合料水泥凈漿配合比設計及試驗結果

試驗選取生態普通硅酸鹽 42.5 水泥，并分別單獨摻入粉煤灰、礦粉，然后進行水泥凈漿流動度和粘度測試，在不同水膠比下，分析不同礦物摻合料及摻量對水泥凈漿流動度和粘度的影響。

2.1.1 單摻粉煤灰的水泥凈漿粘度試驗

本試驗將粉煤灰作為摻合料，測定不同水膠比（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%）分別對水泥凈漿流動度和粘度的影響，試驗結果見表 7 所示。

表 7 單摻粉煤灰水泥凈漿流動度和粘度

2.1.2 單摻礦粉的水泥凈漿粘度試驗

本試驗將礦粉作為摻合料，測定不同水膠比（0.3、0.35、0.4、0.45、0.50）下，分析礦粉不同摻量（0、15%、30%、45%、60%）分別對水泥凈漿的流動度和粘度的影響，試驗結果見表 8 所示。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 單摻粉煤灰對水泥凈漿粘度的影響

從圖 1、圖 2 可以看出，單摻粉煤灰時，在不同水膠比下，隨著粉煤灰摻量的增加水泥凈漿的流動度都不斷增大，粘度呈現相反的變化趨勢，并且當水膠比越大時，這種變化趨勢越明顯。在水膠比為 0.5 時，粉煤灰摻量由 0 增大到 60%，此時粘度值降低了 87.3%。這說明粉煤灰的摻入提高了漿體的流動性，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，可以擠出水泥顆粒孔隙間填充水的量，有效增大凈漿的水膠比，提升漿體的流動性；其二，通過原材料檢測數據可看出，粉煤灰的需水量比達到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，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度和粘度

2.2.2 單摻礦粉對水泥膠漿粘度的影響

從圖 3、圖 4 可以看出，單摻礦粉時，在不同水膠比下，隨著礦粉摻量的增加水泥膠漿的流動度都不斷減小，而粘度值卻不斷增大。這一變化規律與粉煤灰對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。當水膠比為 0.3，礦粉摻量由 0 增加到 60% 時，水泥凈漿的粘度值增大了59.0%。這說明礦粉的摻入降低了漿體的流動性，一定程度上增大了水泥凈漿的粘度。主要是由于礦粉細度高于水泥，根據原材料檢測結果比表面積為 430m2/kg，過大的比表面積導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，從而導致水泥凈漿的流動性降低、粘度增大。

圖 1 單摻粉煤灰對水泥凈漿流動度的影響

圖 2 單摻粉煤灰對水泥凈漿粘度的影響

圖 3 單摻礦粉對水泥凈漿流動度的影響

圖 4 單摻礦粉對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

為優化粉煤灰和礦粉雙摻摻合料膠凝體系的組成，采用正交試驗方法安排凈漿試驗。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，每因素設置三水平，設計為 L9(34) 正交表，考核指標有凈漿流動度和粘度。具體試驗方案見表 9，依據試驗方案，分別摻入不同比例的粉煤灰和礦粉，然后進行水泥凈漿粘度測試，并記錄數據見表 10，數據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設計表

從表 11 的極差直觀分析及曲線圖 5 表明：同時摻入粉煤灰和礦粉對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），即水膠比對同時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，粘度逐漸減小；其次是礦粉摻量對水泥凈漿粘度的影響程度較高，而粉煤灰摻量對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，凈漿流動度大幅增加，而粘度急劇減小；當在相同水膠比為 0.4 時，摻入等量的粉煤灰和礦粉，隨著摻量由 0 增大到 30%，流動度減少了 5mm，相應的粘度值增大了 2205mPa·s。這說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得更強烈一些。因此，礦粉的極差要大于粉煤灰，對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 直觀分析表

圖 5 雙摻摻合料對水泥凈漿流動度和粘度的影響

3 復摻礦物摻合料混凝土試驗

固定單方混凝土中砂、石、水用量不變，分別為：700kg、1140kg、160kg。開展試驗分別測定單摻或雙摻粉煤灰、礦粉兩種礦物摻合料時，其不同摻量對混凝土的坍落度、擴展度和倒坍時間的影響，試驗結果詳見表12 所示。

表 12 復摻礦物摻合料混凝土粘度試驗

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

圖 6 混凝土坍落度

圖 7 混凝土擴展度

圖 8 單摻摻合料倒坍時間

圖 9 雙摻摻合料倒坍時間

通過以上數據分析可得出：在一定摻量范圍內，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，這一規律與單摻礦物摻合料在水泥凈漿粘度試驗結果中所表現出的規律具有一致性。

固定膠凝材料總量 400kg/m3，保持水膠比為 0.4 不變時，雙摻粉煤灰和礦粉按照不同搭配比例復合等量取代部分水泥后的倒坍時間如圖 9 所示。由圖可知：在粉煤灰摻量為 15%，當復摻礦粉摻量為粉煤灰摻量 2 倍時，相對于單摻粉煤灰的新拌高性能混凝土倒坍時間減少了 0.32s；在礦粉摻量為 15%，當粉煤灰摻量為礦粉摻量 2 倍時，相對于單摻礦粉的新拌高性能混凝土倒坍時間減少了 0.72s；而在粉煤灰和礦粉摻量相同都為 15% 時，混凝土的倒坍時間最短，小于兩者單摻時的坍落度值。這是由于：一方面，粉煤灰具有的形態效應，內含大量球狀玻璃微珠在拌合物中起到潤滑作用，一定程度上可提升拌合料的流動性；另一方面，高比表面積的礦粉水吸附性強，可增大拌合料的粘聚性，兩者以一定的比例復摻后可產生互補效應，從而可以改善新拌混凝土的流動性和粘聚性。當粉煤灰和礦粉按不同比例復合后填充于水泥顆粒之間，優化了顆粒之間的級配組成，降低了粒子之間的內摩阻力，使得流動性得到改善，而當兩者摻量相同都為 15% 時，此時顆粒之間的級配組成趨于最優，所以流動性較好，倒坍時間最短，即粘度值最小。

4 結論

本文通過試驗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高性能混凝土粘度的影響。通過試驗分析得出以下結論：

（1）在水泥凈漿中摻入不同品種及摻量的礦物摻合料對膠漿粘度也會造成不同的影響。在不同水膠比下，單摻粉煤灰時，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越明顯；而單摻礦粉時，其變化規律與粉煤灰對水泥凈漿粘度的影響剛好相反。

（2）通過正交試驗設計分析方法，可得出雙摻粉煤灰和礦粉對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，與單摻礦物摻合料在水泥凈漿中的表現規律具有一致性。

（4）雙摻粉煤灰和礦粉，固定水膠比和膠材總量一定，當兩者摻量互為倍數關系時，復合后的新拌高性能混凝土粘度降低，低于兩者單摻時的粘度值；當粉煤灰與礦粉的摻加比例相同都為 15% 時，復合后的粘度值達到最小，此時兩者的顆粒級配組成趨于最優。