石粉對機制砂水泥砂漿材料流變性能的影響研究

趙德新，符策源，關晗，李立輝

（1.廣西旺港高速公路有限公司，廣西南寧 530029；2.海南省交通工程建設局，海南?？?570208；3.交通運輸部公路科學研究所，北京 100088）

0 引言

近年來，我國河砂用量逐年上升，天然砂資源面臨枯竭，采用機制砂替代河砂是一個明智的選擇[1]。機制砂是巖石破碎后，粒徑小于4.75 mm 顆粒，但機制砂中含有一定量的石粉，石粉常被用于機制砂砂漿中，可與水泥砂漿形成密實網狀結構，增強機制砂砂漿的黏結特性。石粉摻入后，完善了集料的級配，起到潤滑填充的作用，石粉也增加了拌合物的總體比表面積，提高了混凝土的黏聚性和保水性，在抗凍融、抗侵蝕、抗滲透等性能方面顯著提升。

國內外研究學者的研究大多集中于石粉含量對機制砂混凝土的耐久性能和力學特性的影響[2-5]。梁金科[6]研究了玄武巖石粉作混凝土摻合料，不同摻量對混凝土工作性、力學性能和氯離子的影響。結果表明：玄武巖石粉適量替代水泥拌制的混凝土，具有較好的和易性。余成行等[7]對高品質機制砂混凝土流變性能的敏感性進行分析，發現特定組分細粉顆粒的增加，降低高品質機制砂混凝土的流變性能敏感性。王軍偉等[8]研究了機制砂物理特性對水泥砂漿的流變性能的影響，發現相硅質機制砂對水泥膠砂流動度的影響大。任強等[9]發現機制砂的顆粒粒型、堆積密度和比表面積是影響機制砂砂漿流變特性的主要因素。

針對石粉對機制砂砂漿的流變性能影響研究相對較少[10-13]，本文采用在花崗巖機制砂中混入石粉，研究石粉對機制砂水泥砂漿流變性能的影響，選擇了靜態與動態分析有機結合的流變試驗方法，反映水泥機制砂漿體內部的流動和變形特性，研究石粉對水泥砂漿的流變性能影響并闡述其內部相互作用機理規律。

1 原材料與試驗

1.1 原材料

采用南寧華潤水泥有限公司產P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；花崗巖機制砂和石粉均采用廣西北海白沙鎮砂石場；水采用北海市自來水。

1.2 試驗方法

為探究石粉摻量對機制砂砂漿試件流變性能的影響，通過剪切速率與剪切應力、時間與偏角、時間與黏度的關系曲線表征流變參數。屈服應力控制測試試驗時間120 s，選用不同的加載速率依次對砂漿試件進行剪切。蠕變恢復試驗在試驗前60 s 對砂漿試件采用恒定的50 Pa 應力加載，后60 s 卸載應力，記錄撤力后砂漿試件剪切變形偏角差的數值。動力黏度采用恒定的剪切速率20 s-1，對試件剪切120 s。觸變性采用前60 s內剪切速率從0 逐漸加載到200 s-1，后60 s 剪切速率再由200 s-1逐漸減小為0。

2 結果與分析

2.1 屈服應力

圖1 為不同石粉摻量下的機制砂砂漿剪切速率與剪切應力的關系曲線，剪切速率均隨著剪切應力的增加而逐步加快。試驗過程中的剪切應力變化趨勢主要包括3 個階段：緩慢線性上升階段、極速上升階段和平衡階段。當剪切速率呈現出高速上升的態勢時，此時的水泥砂漿內部基本結構已被打破，對應的剪切應力已達到最大值，將剪切應力保持穩定的初始點稱為屈服點，對應的應力即為屈服應力。

圖1 機制砂砂漿剪切速率與剪切應力的關系

由圖1 知，當機制砂水泥砂漿中石粉含量由0%增加到20%時，其對應的屈服應力數值從398.3 Pa 增長至1 145.3 Pa。即隨著石粉含量的增加，機制砂水泥砂漿的屈服應力不斷增大。石粉含量小于10%，機制砂水泥砂漿的屈服應力變化較小，但當石粉含量大于10%時，其屈服應力值迅速增大，石粉從0%增至10%，屈服應力值增加186.5 Pa，而石粉由10%增至20%，屈服應力值幾乎增加一倍（增加了560.5 Pa）。其原因是石粉顆粒具有填充作用，在石粉的作用下水泥的堆積空隙率變小，釋放出部分自由水使漿體流動性變高，起到了降黏潤滑的作用。當水泥砂漿中石粉含量超過一定范圍，改變了水泥凈漿黏度，同時增加了砂漿顆粒之間的滑移阻力，石粉均勻散布在水泥漿中，一部分與水泥砂漿顆粒相互裹附并黏結，另一部分填充了砂漿中細小的孔隙，進一步提高了水泥砂漿的屈服應力。

2.2 蠕變恢復

蠕變恢復是靜態流變性能中的重要性能，通過偏角與時間的關聯曲線來表示蠕變恢復特性。圖2 是不同石粉摻量下水泥砂漿蠕變運動中偏角與時間的關系。

圖2 偏角與時間關系曲線

由圖2 可知，前60 s 保持恒定剪切應力的加載條件下，機制砂水泥砂漿的偏角逐漸變大，第60 s 時達到最大蠕變偏角，從60 s 之后開始卸載應力，在外力卸載的一瞬間，砂漿試件開始出現瞬時恢復的現象，隨后保持恒定直至試驗結束。其原因是，水泥砂漿與水泥凈漿的黏性特征不同，水泥砂漿更多地體現出塑性體，被剪切破壞后無法完全恢復至原水平狀態。在剪切試驗過程中會發生瞬時的回彈現象，這是由于砂漿試件在承受各向同性壓力時，形態不變，密度稍增，彈性變大，另一方面本身殘留部分彈性特征。

圖3 為機制砂水泥砂漿在摻入不同量石粉后的偏角差與最大偏角的關系曲線。

圖3 最大偏角和偏角差與石粉摻量的關系

由圖3 可知，機制砂水泥砂漿中石粉含量并不能決定漿體蠕變恢復的最大偏角。在石粉摻量較低時，最大偏角隨之變小，在15%的石粉摻量時，最大偏角出現峰值，而后隨即下降。機制砂砂漿的偏角差在石粉摻量較小時同屬于一個數量級，但是當石粉摻量在15%時，機制砂砂漿的偏角差是未摻入石粉的5.7 倍。其原因在于石粉增強了機制砂砂漿的變形恢復能力。石粉的摻入可以填充機制砂水泥砂漿的內部空間，使砂漿的總體密度增大，在受到各向同性的剪切應力影響時，砂漿材料形態恒定不變，內部密度稍增，彈性隨之變大。

2.3 動力黏度

水泥砂漿受到的外力大于屈服應力時會被破壞，產生變形，動力黏度可以表征此階段的流變特性，即為剪切應力與剪切速率的比值。當外力大于屈服應力后，水泥砂漿內部結構會被打破，出現剪切變稀的現象，此時出現的黏度數值偏小導致數據的不準確。為了避免機制砂砂漿在流變儀以較快的剪切速率下做不規則運動，采用低速的剪切模式，得到剪切時間與動力黏度的關系曲線（圖4），機制砂砂漿的黏度隨著剪切時間的延長而降低，且動力黏度降低的幅度逐步趨于緩和。

圖4 動力黏度與剪切時間的關系

從圖4 可知，前20 s 內漿體的黏度快速下降，而后保持相對平穩的狀態，隨著石粉摻量的增加，漿體的初始和終止動力黏度均變大，石粉摻量20%時的終止動力黏度均遠大于其他對照組。分析原因認為，砂漿體系屬于剪切變稀流體，漿體改變初始狀態由難到易，石粉中含有活性SiO2、Al2O3等，與Ca(OH)2發生反應，導致Ca(OH)2減少。而結晶Ca(OH)2的層間結構依靠氧原子間氫鍵結合，Ca(OH)2數量減少，氫鍵結合力變弱，增強了漿體內部顆粒的黏結力，更易形成絮凝網狀結構，增大了漿體的動力黏度。另一方面，石粉粒徑小，填補機制砂漿體中的孔隙，增大了砂漿內部中顆粒與顆粒間接觸面，導致了摩擦增大，抵抗剪切應力所產生的阻力即動力黏度也大。同時，動力黏度受到漿體中水泥分子之間的相互引力的作用，摻入石粉減少了水泥分子之間的距離，使漿體中的水泥顆粒更加緊密，增強了水泥分子之間的作用力。

2.4 觸變性

當漿體受到剪切作用時，表觀黏度降低，內部結構會因剪切速率的增加而疏松，而當終止剪切時，內部結構恢復致密，黏度出現復原，即一觸就變的特性稱為觸變性。主要表征水泥砂漿遭到破壞后，在一定的時間內的自我恢復能力。

圖5 為不同石粉摻量下漿體觸變性變化規律，剪切速率與剪切應力所圍面積是觸變環面積的大小，表征漿體觸變性，反映漿體流動時破壞絮凝結構和網狀結構所需能力的大小[14]和水泥砂漿在受到破壞后的自我恢復能力，其面積越大，說明恢復能力越差，面積越小恢復能力越強。

圖5 不同石粉摻量下漿體觸變性變化

隨著石粉摻量的增加，上行曲線與下行曲線之間的間距逐漸變小，即觸變環面積隨著摻入石粉含量的增加而逐漸變小。摻入機制砂砂漿觸變環面積與摻入機制砂砂漿體觸變環面積的差值除以未摻入機制砂砂漿的值為增量恢復率。

圖6 是滯后圈面積和增量恢復率與石粉摻量的關系曲線。

圖6 滯后圈面積和增量恢復率與石粉摻量的關系

當石粉摻量較小時，機制砂的觸變性增量恢復率的變化率較大，分別為8.7%和9.6%。但當石粉含量增加到15%、20%時，增量恢復率的變化率開始減小。分析原因認為，石粉對漿體觸變性的機理體現在兩個方面：其一，在水泥砂漿內部結構遭到破壞后，石粉起到了黏結和填充的作用，在范德華力和靜電作用下的顆粒間距減小[15]，結構更緊湊。其二，石粉具有較大的比表面積，為水泥漿體形成網狀結構提供更多的接觸點，構成復雜穩固的絮凝和網狀結構。因此觸變性越強，漿體被破壞時所需的能量更多，材料的恢復能力越強。但石粉摻量過多后，內部結構已經處于一種充盈的狀態，未能體現出明顯的恢復效果。

3 結論

a）機制砂砂漿試件在加載的過程中隨著剪切速率的提高，剪切應力呈現出緩慢線性上升階段、極速上升階段、平衡階段。機制砂砂漿的屈服應力隨著石粉摻量的增加而變大。

b）石粉摻量對蠕變恢復有明顯的影響，石粉摻量越高，偏角差越大。當石粉摻量為15%時，水泥砂漿的偏角差是未摻入石粉的5.7 倍。

c）隨著剪切速率逐漸增加，機制砂砂漿的動力黏度逐步變小，并產生了剪切變稀流變特征。在石粉摻量不斷增大的情況下，初始和終止動力黏度均變大。

d）觸變性利用觸變環的面積表征遭到破壞后的自我恢復能力，摻入石粉的砂漿試件的觸變環面積明顯小于未摻入，同時隨著石粉摻量含量的增加，觸變環的面積變小，自我恢復能力變強。