粉煤灰对水泥砂浆流变性能的影响研究

曹 睿

(河北省高速公路京衡管理处，河北 衡水 053000)

0 前言

水泥砂浆是一种同时具有粘、弹、塑性性质的复合材料，随着水泥水化的进行，水泥砂浆逐渐由粘塑性阶段向粘弹性阶段转变［1，2］。硬化后水泥砂浆的力学性能和耐久性主要取决于砂浆结构的变化，而砂浆结构的变化又与水泥砂浆在新拌阶段的屈服应力、塑性粘度和触变性密切相关［3，4］。粉煤灰可以显著改善混凝土拌合物的工作性、耐久性，并减缓混凝土中水泥水化产生的水化热，除此之外将粉煤灰应用于建筑材料，能显著减少粉煤灰存放造成的土地浪费，不仅实现废物利用、变废为宝，而且能够节约资源、保护环境［5～7］。粉煤灰水泥砂浆流变性的改善究竟如何，国内研究相对较少，本文通过试验，研究粉煤灰种类和掺量对水泥砂浆流变性能的影响，为进一步研究混凝土拌合物流变性能提供理论参考。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

水泥选用湖北武当水泥股份有限公司生产的P.O42.5 水泥，主要化学成分见表1;粉煤灰选用湖北某电厂的Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰，其主要技术指标如表2所示，砂采用天然河砂，具有良好的物理力学性能，减水剂选用聚羧酸系减水剂，减水率能满足要求;水为自来水。

表1 水泥的材料组成 %

表2 粉煤灰的技术性质

1.2 试验方法

利用Brookfield 粘度计测定水泥砂浆的塑性粘度和屈服应力，分别以屈服应力和塑性粘度表征砂浆的砂浆的流动性和粘聚性，测定初始粘度和3 min后的粘度，并计算粘度变化率，以粘度变化率表征水泥砂浆的触变性。试验时固定砂灰比S/C =1.2，固定水灰比W/C=0.35，粉煤灰掺量以粉煤灰替代水泥的质量分数记。

2 试验结果及分析

2.1 粉煤灰对水泥砂浆流变性参数的影响

测定不同粉煤灰种类(Ⅰ和Ⅱ级)和掺量(0%、10%、15%、20%、25%和30%)时，水泥砂浆初始和90 min 后的屈服应力、塑性粘度，并计算屈服应力变化率和塑性粘度变化率，研究粉煤灰种类和掺量对水泥砂浆流变性参数的影响，试验结果如图1和图2所示。

图1 粉煤灰对水泥砂浆屈服应力和屈服应力变化率的影响

图2 粉煤灰对水泥砂浆塑性粘度和塑性粘度变化率的影响

从图1和图2可以看出，随着粉煤灰掺量的增多，水泥砂浆的屈服应力逐渐减小，塑性粘度逐渐增大，表明粉煤灰的加入能改善水泥砂浆的流动性能，增大了水泥砂浆的粘聚性，且粉煤灰掺量越多，对流动性的改善效果越好。相同粉煤灰掺量时，掺Ⅰ级粉煤灰时水泥砂浆的屈服应力比掺Ⅱ级粉煤灰时较小，而塑性粘度比掺Ⅱ级粉煤灰时大，例如当粉煤灰掺量为10%时，掺加Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰的砂浆试件90 min 的屈服应力分别为94.5 Pa 和101.3 Pa，表明掺入细度更小的Ⅰ级粉煤灰对水泥砂浆的流变性改善效果更好。掺入粉煤灰后水泥砂浆的屈服应力和塑性粘度都随粉煤灰掺量的增多出现先急剧变化后趋于稳定的规律，其中粉煤灰细度不同，屈服应力和塑性粘度出现稳定对应的粉煤灰掺量不同。掺Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰后，砂浆屈服应力趋于稳定时对应的粉煤灰掺量分别为15%和25%，而塑粘性度出现稳定状态对应的粉煤灰掺量都为15%，表明粉煤灰越细，所需要掺加的粉煤灰掺量越小。粉煤灰颗粒表面光滑且大多为球状，在砂粒之间起着滚珠作用和润滑作用，使砂粒之间的摩擦力减小，因此屈服应力降低。同时粉煤灰是一种多孔材料，在水泥砂浆拌合物中会吸收一部分水，且掺量越多吸水量越大，使砂浆中的自由水含量降低，塑性粘度增大;Ⅰ级粉煤灰的比表面积大于Ⅱ级粉煤灰，相同掺量时Ⅰ级粉煤灰的吸水量更大，因此塑性粘度较大。

相同条件下，水泥砂浆90 min 的屈服应力明显大于初始屈服应力，而90 min 的塑性粘度明显小于初始的塑性粘度。且屈服应力变化率和塑性粘度变化率都随粉煤灰掺量的增大大幅减低，掺细度更小的Ⅰ级粉煤灰时屈服应力变化率和塑性粘度变化率的下降趋势比掺加Ⅱ级粉煤灰粉煤灰时更加明显，例如当粉煤灰掺量为15%时，掺Ⅰ级粉煤灰的水泥砂浆屈服应力变化率和塑性粘度变化率分别为19.8%和23.2%，而掺Ⅱ级粉煤灰的水泥砂浆屈服应力变化率和塑性粘度变化率分别为23.1% 和24.1%。表明粉煤灰能显著降低水泥砂浆流动性能的经时变化，解释其原因为，一方面，粉煤灰延缓了水泥砂浆中水泥的初期水化作用，使水泥砂浆中因水泥水化而造成的自由水损失减少;另一方面，粉煤灰具有较大的比表面积，能吸附一部分自由水，而随着水泥水化的进行，吸附的水分逐渐释放出来，对水泥砂浆中的含水量得到一定的补充;因此使水泥砂浆流动性能的经时变化程度降低。

2.2 粉煤灰对水泥砂浆触变性的影响

测定不同粉煤灰种类和掺量时，水泥砂浆初始和3 min 后塑性粘度，并计算塑性粘度变化率用以表征水泥砂浆的触变性，研究粉煤灰种类和掺量对水泥砂浆触变性的影响，试验结果如图3所示。

图3 粉煤灰对水泥砂浆触变性的影响

从图3可以看出，随粉煤灰掺量的增多，水泥砂浆初始粘度和3 min 时的粘度都逐渐增大，且相同掺量时，掺加Ⅰ级粉煤灰时，水泥砂浆的粘度更大。对于两种粉煤灰，当粉煤灰掺量小于10%时，随着粉煤灰掺量的增大，粘度变化率基本不变，水泥砂浆的触变性保持稳定;而当粉煤灰掺量大于10%时，掺加Ⅰ级粉煤灰的砂浆粘度变化率随粉煤灰掺量增大逐渐减小，砂浆触变性逐步减弱，而掺加Ⅱ级粉煤灰的砂浆粘度变化率随粉煤灰掺量增大急剧增大，砂浆触变性逐步增强。

这主要是因为，Ⅱ级粉煤灰的外观形状接近球形，在剪切力作用下，粉煤灰颗粒之间，粉煤灰颗粒与砂粒之间相互容易滑动，使颗粒之间的粘结程度降低，结构容易拆散，因此添加Ⅱ级粉煤灰增大了水泥砂浆的流动触变性，且掺量越大触变性增大程度越大。相比于Ⅱ级粉煤灰，Ⅰ级粉煤灰有更大的比表面积，能够为水泥砂浆中网状空间结构提供更多的接触点，使水泥砂浆浆体中的絮凝结构更加紧密而不容易拆散，因此Ⅰ级粉煤灰的加入降低了水泥砂浆流动性能的触变性，且掺量越多，触变性降低比例越大。

3 结论

本文通过研究了粉煤灰种类和掺量对水泥砂浆流变性能的影响，结果表明:粉煤灰掺量越大，水泥砂浆的屈服应力越小，流动性越好，而塑性粘度随粉煤灰掺量的增大逐渐增大，水泥砂浆粘聚性逐渐增强;Ⅰ级粉煤灰对水泥砂浆流动性和粘聚性的改善效果好于Ⅱ级粉煤灰，且当Ⅰ级粉煤灰和Ⅱ级粉煤灰掺量分别大于15%和25%时，对流动性和粘聚性的改善程度不再明显;当粉煤灰掺量小于10%时，粘度变化率基本不变，水泥砂浆的触变性保持稳定，而当粉煤灰掺量大于10%时，增加Ⅰ级粉煤灰掺量会使砂浆触变性逐步减弱，而增加Ⅱ级粉煤灰掺量会使触变性增强。

［1］管 文，谈慕华，俞海勇，等.粉煤灰－水泥浆体的流变性能［J］.建筑材料学报，2001，4(4):339 －345.

［2］周林广，徐建民，任红晓，等.用水量对砂浆流变性能的影响［J］.工业建筑，2014，44(S1):931 －933.

［3］张长清，蒋聚桂.特细砂砂浆流变性能研究［J］.武汉城市建设学院学报，1998，15(1):21 －24.

［4］邢 锋，吕剑锋，杨 静，等.水泥砂浆流变学性能的评价方法研究［J］.材料研究学报，2000，14(3):307 －310.

［5］陈 伟，田亚坡，水中和.减水剂在粉煤灰水泥浆体中的吸附及其流变性能影响［J］.混凝土，2012(4):36 －39.

［6］李燕涛，宋志刚，闵红光.掺粉煤灰水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀的试验研究［J］.环境科学与技术，2012，35(5):127 －130.

［7］王志刚.水泥低活性粉煤灰钢渣路用性能试验研究［J］.现代交通技术，2011(5):36 －38.