低胶凝材料用量砂浆及混凝土的流变性能.pdf

2 0 1 2年 第1 2期 (总 第 2 7 8 期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoRET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 1 1 低胶凝材料用量砂浆及混凝土的流变性能 赵海红 ，赵小丽。郭梦君 ，曹峰，吴建华 ( 重庆大学 材料科 学与工程学 院，重庆 4 0 0 0 4 5 ) 摘要： 在低胶凝材料用量时， 研究自流平砂浆流动度与黏度之间的关系以及增黏剂对砂浆流变性能的影响， 并在此基础上研究增黏剂 对 自密实混凝土工作性 、 力学性能的影 响。 试验结果显示 ： 自流平砂浆扩展度与黏度 间具有很好的负相关性 ， 且两 者图线关于某直线对称 ； 增黏剂( c Mc 、 H P MC和硅灰) 降低了砂浆扩展度， 但黏度增加， 改善了砂浆的泌水状况； 增黏剂对混凝土工作性的影响与砂浆一致 ， 但存 在最佳掺量， 使混凝土在大流动性时不发生泌水、 离析， 提高了其综合性能； 增黏剂适用于有泌水 、 离析的浆体或拌合物时， 能够改善其工 作性 ， 而应用于无泌水浆体时则会显 著降低 其流动性。 除硅灰具有火山灰活性 ， 能够提高抗压强度外 ， C MC及 H P MC对强度 的影响无一 致定论 ， 总体上对强度影响不大。 关键词 ： 自流平 ；增黏剂 ；流动性 ；黏度 ；自密实混凝 土 中图分类号 ： TU 5 2 8 O l 文献标 志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 3 0 0 4 Rhe ologi c al pr ope r t i e s of mor t a r and co nc r e t e wi t h l ow b i n der c on t en t Z H AOHa i - h o n g ， Z HAOXi a o l i ， GU OMe n g -j u n ， C AOF e n g ， WUJ i a n - h u a ( S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， C h o n g q i n gU n i v e r s it y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s t u d y wa s c a r r i e d o n wi t h l o w c o n t e n t b i n d e r s a n d f o c u s e s o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e fl u i d i ty and v i s c o s i ty o f s e l f - l e v e l in g mo r t a r a n d a l s o t h e i n fl u e n c e o f v i s c o s i ty mo d i t y i n g a d mi x t u r e s o nt h e r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s O nt h a t b a s i s ， s t u d i e dt h e e ff e c t o f v i s c o s i ty mo d i f y in g a d mi x t u r e s o n t h e fl u i d i ty a n d me c h ani c a l p r o p e r t i e s o f s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e R e s u lt s s h o we d th a t i t h a d a h i g h i n v e r s e c o r r e l a t i o n b e twe e n t h e flu i d i ty an d v i s c o s i t y o fs e l f - l e v e l i n g mo r t a r ， a n d a l s o t h e t wo c u r v e s we r e s y mme t r i c c e n t e r e d o n s o me s t r a i g h t l i n e v i s c o s i t y mo d i fyi n g a d mi x tur e s i n c l u d i n gC MC， HP MCand s i l i c a f u me d e c r e a s e dt h e fl u i d i ty b u t i n c r e a s e d t h e v i s c o s i ty a n d a l s o e l i mi n a t e dt h e b l e e d in g o f mo r t a r T h e i n fl u e n c e o f v i s c o s i ty mo d i f y i n g a dm i x t u r e s o n t he c o n c r e t e wa s s i mi l ar t o t h a t o f mo rtar， b u t t h e r e wa s an o p t i ma l d o s a g e f o r v i s c o s i ty mo d i l y i n g a d mi x t u r e s t o ma k et h ec o n c r e t ec o n t a i n i n ga t a g hflu i d i ty wi t h o u t b l e e d i n go rs e g r e g a t i o ng e t t h ee x c e l l e n tint e gra t e dpe r f o r ma n c e v i s c os i t ymod i f y i n ga d mi x t u r e s wo u l d i mp r o v e p e r f o r manc e s wh e n t h e mo rtar o r mi x t u r e wa s bl e e d i n g o r s e g r e g a t i o n b u t s i g ni fic a n t l y d e c r e a s e d t h e wo r k a bi l i ty wh e n t h e y we r e no t Th e r e wa s n o d e fin i t e c o n c l u s i o n a b o u t CM C a nd HP M C a ffe c t i n g t h e s tre n g t h o f mo r t a r an d c o n c r e t e e x c e p t t h a t t h e s i l i c a fu me inc r e a s e d t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h f o r t h e p o z z o l a n i c a c t i v i ty， v i s c o s i t y mo d i f y i n g a dm i x t u r e s h a d v e r yl i t t l e e ff e c t o n t h e s t r e n g t h a s a wh o l e K e ywo r d s ： s e l fl e v e l i n g ； v i s c o s i t ymo d i f y i n g a dm i x tur e ； fl u i d i ty ； v i s c o s i ty； s e l f - c o mp a c t i n g c o n c r e t e 0 引言 自密实混凝土 由于其优异 的工作性 和 自密实性 ， 目前 已被 广泛地应用于一些难于振捣施工、 结构复杂等的混凝土工程中。 通常配制 自密实混凝土时， 胶凝材料用量不宜少于 4 5 0 k g m ， 2 8 d抗压强度也多在 5 0 MP a以上； 而普通强度等级的自密实 混凝土为了达到大流动性以及无泌水 、 离析的效果 ， 就要增大 胶凝材料用量 ， 使得强度超标， 导致生产成本增大 1 。 因此 ， 对低 胶凝材料用量自密实混凝土的研究， 不仅可以在保证混凝土自 密实的基础上降低胶凝材料用量 ， 降低成本， 也扩大了普通强 度等级 自密实混凝土的应用范围。 砂浆是自密实混凝土工作性的主要提供者， 研究砂浆基材 的流变特性， 能够为研究混凝土拌合物的工作性能提供很好的 参考依据嘲 。 砂浆与混凝土一样同属于宾汉姆流体， 流变特性宏 观上表现为流动度和黏度， 砂浆的黏度指砂浆流动时受到的浆 体 内部阻力的大小。 若浆体在大流动时能够保持较高的的黏 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 6 - 2 8 30 度， 浆体就有足够的黏聚力使粗集料稳定、 均匀的悬浮在内， 从 而减少混凝 土泌水 、 离析 沉降的发生 2 1 。 因此 ， 对砂浆 流动性及 黏度的研究， 能够反应组成 自密实混凝土的基材浆体的性能， 为 配制出性 能优 良的 自密实混凝土打下基础 。 增黏剂是近几年研发的一种新型水泥混凝土外加剂 ， 能够 增加胶凝材料内部的黏聚力和浆体的保水性， 从而减少了胶凝 材料组分的分离率， 提高浆体内部的匀质性3 _ 。 增黏剂主要应用 于大流动性砂浆或混凝土、 喷射混凝土、 水下不分散混凝土等 ， 增黏剂的应用可以改善浆体或拌合物的泌水、 离析情况。 本试验 将研究两种纤维素醚增黏剂( C MC、 H P MC) 和硅灰增黏剂对大 流动性砂浆的流变特性以及 自密实混凝土的新拌、 硬化性能的 影响， 以便为增黏剂【 5 的应用提供参考。 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥 ： 采用重庆拉法基水泥厂生产的 P O 4 2 5级水泥 ， 其化学成分及性能指标见表1 、 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 4 2 5级普通硅酸盐水泥 、 $ 9 5级矿粉的化学成分 墨 ! Q ! ! ! ! 垒 ! g 兰 坐 量 璺堕 量 水泥2 0 0 2 5 8 9 9 2 6 5 6 1 9 2 5 3 2 6 7 3 0 8 0 7 0 矿粉3 3 3 6 4 0 0 0 2 8 0 1 2 6 9 6 7 5 一 O 5 6 一 一 ( 2 ) 粉煤灰： 重庆珞璜电厂 I I 级粉煤灰， 密度 2 6 8 g c m ， 比 表面积 3 9 8 m2 k g ， 需水量比9 9 ， 活性指数 7 9 。 ( 3 ) 矿粉 ： $ 9 5级矿渣粉 ， 比表面积为 4 3 0 m2 k g ， 表观密度 为2 8 g c m3 ， 其化学成分见表 1 。 表 2 P O 4 2 5级水 泥的物理 力学性 能指标 ( 4 ) 河砂 ： 采 用 岳 阳砂 ， 堆 积密 度 1 4 4 0 k g m3 ， 表观 密 度 2 6 8 0 k g m3 ， 细度模数为 2 8 。 ( 5 ) 粗集料 ： 采用歌乐山石灰石碎石 ， 由两个粒径级配的 大、 小石子掺配而成， 5 1 0 m m： l O 2 0 m m= 4 ： 6 。 ( 6 ) 减水剂 ： F D N O R减水剂 ， 减水率 1 8 2 5 ， 固含量 2 0 ， 建议掺量 2 1 。 ( 7 ) 增黏剂 ： 市售 C MC( 羧 甲基纤 维素 ) ； HP MC ( 羧丙 基甲基纤维素) ； 均为纤维素醚增黏剂， 通过增加拌和水的黏度 来增加拌合物黏度； 硅灰， 为具有高比表面积的无机增黏材料 ， 比表面积约 2万 c m2 g ， 密度 2 2 g c m3 ， 活性指数 1 0 9 。 ( 8 ) 拌和用水 ： 自来水。 2试 验 方 法 ( 1 ) 自流平砂浆扩展度测试： 参考 GB T 2 4 1 9 -2 0 0 5 ( 水泥 胶砂流动度测定方法 的相关规定进行 ， 但采用砂浆 自流平方 式， 无需振动。 ( 2 ) 自流平砂浆黏度测试 ： 采用 ND J 1型旋转黏度计 ， 选择 合适转速的转子， 用 5 0 0 mL的烧杯盛装砂浆 ， 将黏度计转子放 进烧杯浆体中， 浆体液面要与转子的液面线相平 ， 打开开关使 转子转动， 利用转子在砂浆中转动时遇到的阻滞力来反映黏度 的大小。 为了使试验对比一致 ， 烧杯每次装砂浆的容量应相同， 测试前 宜静 止相同的时间 ， 若浆体有 泌水 、 沉降发生 ， 所测黏度 则会变小 。 ( 3 ) 自流平砂浆抗压、 抗折强度按照 G B T 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 ( 水 泥胶砂强度检验方法 中的规定方法测试。 ( 4 ) 自密实混凝土的工作性指标包括坍落度 、 扩展度、 T 姗、 L型仪等 ， 测试方法均要符合 C C E S 0 2 -2 0 0 4 ( 自密实混凝土 设计与施工指南 中的相关规定。 混凝土抗压、 抗折强度按照 GB 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝 土力学性能试验方法标准 中的 方 法测试 。 3 试验结果及分析 3 1 砂浆基准配合 比 选定砂浆基准配合 比， 分别研究水胶比、 增黏剂种类及掺 量对砂浆流变性能和力学性能的影响， 砂浆基准配合比见表 3 。 表 3 砂浆配合 比设计( 与胶凝材料总量之比 ) 3 2 水胶 比对砂浆性能的影响 由图 1 可看出： 随着水胶比的增大， 砂浆扩展度增大、 黏度 变小； 但当水胶比大于 0 3 7时， 扩展度的变化较小， 可能是由于 浆体在水胶比大于 0 3 7时已经发生了泌水 ， 扩展度几乎达到最 大， 而黏度则随着水分的增加而逐渐变小。 浆体的抗压、 抗折强 目 目 、 皑 孰 5 水胶 比 ( a ) 不同水胶比时砂浆的扩展度与黏度 吕 吕 皑 40 35 3 0 苫 2 5 j型 2 0 1 5 鼎 l 0 5 0 掺 量 ( a ) C MC 不同掺量时砂浆的扩展度与黏度 0 0 0 1 0 0 2 0 0 4 掺 量 f b ) CMC不 同掺量 时砂 浆 的抗压 、 抗折 强 度 图 2 水胶比为 0 3 7时 。 不同掺 量 CMC时砂浆的性能 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 4 HP MC 增黏 剂对砂 浆性 能 的影响 由图 3可看出： H P MC的掺加对浆体的扩展度及黏度影响 较大 ， 随着掺量的增大 ， 扩展度几乎呈直线下降、 黏度增大； 说 明浆体对 H P MC的掺加量较为敏感， 可能因为本试验用 H P MC 自身黏度较大的原因； H P MC的掺加使得砂浆的 3 、 2 8 d强度降 低。 可能由于HP MC的掺加增大了浆体的黏度 ， 造成需水量增大， 影响了胶凝材料的水化， 使得强度降低。 E 皇 皑 掺量 ( a ) H P MC 不同掺量时砂浆的扩展度与黏度 U U U2 O 0 4 O 06 0 U 掺量 ， ( b ) HP MC 掺量时砂浆的抗压 、 抗折强度 图 3 水胶 比 0 4 5时 。 不同掺量 HP MC时砂浆的性能 3 5 硅 灰 对砂 浆I 生 能 的影响 由图 4可看出： 随着硅灰掺量的增大 ， 浆体扩展度先增大 后减小 ， 黏度呈逐渐增大的趋势 ， 可能由于在小掺量时， 掺加硅 灰可以起到颗粒轴承的作用， 并且硅灰的细小颗粒能够填充到 胶凝材料的空隙中， 从而达到减水 、 增大浆体流动性的效果悯； 随着硅灰掺量的继续增加， 胶凝材料颗粒的总比表面积增大 ， 浆体在水胶比一定时需水量增大、 黏度增大； 同样， 当硅灰掺量 大于 2 时， 浆体无泌水 ， 硅灰对浆体流动性的降低及黏度的增 加作用较为显著。 由于硅灰的火山灰活性 ， 掺加硅灰后， 浆体的 3 、 2 8 d 抗压、 抗折强度都较无掺加时高。 总结 以上砂浆性能试验可得出以下结论 ： ( 1 ) 无论是否掺加增黏剂 、 掺加哪种增黏剂或浆体是否泌 水， 从定性分析来看， 浆体扩展度与黏度间均具有很好且紧密的 负相关性 ； 浆体扩展度越大， 黏度越小 ， 且变化幅度也紧密相关。 ( 2 ) 增黏剂用于改善浆体泌水时有较好的效果 ， 可以在适 当掺量时获得 自流平砂浆需要的扩展度及黏度 ； 但当浆体无泌 宕 骞 、 4 0 3 5 30 羔 2 5 理 2 0 15 麓 1 0 5 0 掺量 ( a ) 不同硅灰掺量时砂浆的扩展度与黏度 O 2 4 掺量 ， ( b ) 不 同硅灰掺 量时 的砂 浆抗 压 、 抗 折 强度 图 4 水胶 比 0 4 0时， 不 同掺量硅灰时砂 浆的性能 水时， 继续掺加增黏剂会显著降低浆体的流动性， 增大黏稠度。 因此 ， 增黏剂适用于有泌水或离析 的大流动陛砂浆或混凝土 中 ， 可以改善其工作性能。 ( 3 ) 从增黏剂对砂浆的性能影响来看， C MC和硅灰的扩展 度及黏度曲线较为规律， 而 HP MC的掺量及对砂浆性能的影响 则相对不易控制。 ( 4 ) 总体来看， 浆体在扩展度大于 2 8 0 mm时不发生泌水的 最小黏度值为 1 3 P a s ， 说明在此试验条件 ， 大流动砂浆的黏度 值至少应保证在 1 _ 3 P a S 以上 ， 才不易发生泌水或沉降等工作 性不 良的问题。 ( 5 ) 除 HP MC外 ， C MC与硅灰这两组砂浆 的扩展度 与黏 度 折线关于扩展度值 2 4 0 2 6 0 mi l l ( 相当于黏度值 1 8 2 2 P a S ) 时对称， 根据对称直线 ， 可大概推算出扩展度对应的黏度值为 多少。 但具体定量计算分析还要进一步研究。 4 混凝土的验证 试验 4 1 混凝 土基 准 配合 比 按照砂浆配合比， 在 自密实混凝土配合 比设计【 及试配过 程中， 胶凝材料在 3 8 0 k g m3 、 水胶比为 0 3 4时 ， 混凝土没有发 生泌水、 离析现象； 且混凝土的综合性能优 良； 但为了研究增黏 剂在混凝土泌水、 离析状况下对其综合性能的影响本试验选 择 c1 组的原材料配合 比， 水胶比调整至 0 3 9来进行混凝土的 相关试验。 表 4自密实混凝土基准配合 比( 砂率 4 7 ) 4 2 增黏 剂对 混凝 土性 能的 影响 掺加不同增黏剂后 ， 混凝土工作性及力学性能指标见表 6 。 掺加增黏剂明显改善了混凝土的泌水、 离析现象 ， 提高了拌 合物填充性能， 图 5为 S C1 组与 S C 3 组混凝土性能测试情况。 3 2 由以表 6 、 图 5可看 出： ( 1 ) S C 3组 C MC掺量为 0 0 5 时， 坍落度 2 4 0 mm、 扩展度 5 5 0 ram， 满足自密实混凝土的工作性要求， 且 L型仪数值为0 8 5 ， 填充性优于空白组， 说明 C MC在此掺量时 ， 改善了浆体的填充 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m