粉煤灰—水泥浆体的流变性能

第4卷第4期2001年12月建筑材料学报JOURNALOF"BUILDINGMATERIALSVo【4．No4Dec2001文章编号：10079629(2001)04033907粉煤灰．水泥浆体的流变性能管文，谈慕华，俞海勇，吴科如(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室，上海200092)摘要：采用回转型粘度计测定了粉煤友水泥策体的流变参数，并探讨了将煤友品种、掺量、颗粒群特征等参数与将煤灰一水泥浆体流变性能的关系结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：新拌水泥浆体的流变性属于宾汉姆体．将煤友的掺八并未改变其流变特性；粉煤友的囤度和体积比表面积影响着将煤友水泥浆体的屈服应力、塑性粘度和触变性的太小；粉煤灰一水泥浆体的触变性表现为剪切稀化，拆散常数B和破坏面积这2个参数均可用作水泥浆体触变性的定量表征关键词：粉煤灰；颗粒群特征；屈服应力；塑性粘度；触变性中图分类号：TU528．01文献标识码：ARheologicalPropertiesofCementPasteswithFlyAshGUANWen，TANMu—hua，yUHal—yong，WUICe—r“(StateKeyLaboratoryofConcreteMaterialsResearch，TongiiUniversity，Shanghai200092．chjmJAbstract：Byusingtherotationviseometer，therheologicalpropertiesoffreshcementpasteswithflyashweretestedAlso．therelationshipsbetweenflyashdosage，thecharacteristicofparticlegroupofflyashandtherheologyofcementpasteswithflyashwerediscussedThetestresultsshowedthatrheologicalbehaviouroffreshcementpastesfollowsBinghammodelandmixingflyashdoesnotchangeitsrheologicalpropertyTheroundnessandspecificsurfaceareaofflyashCanaffectyieldstress，plas—tieviscosityandthixotropy．Thethixotropyofcementpasteswithflyashfollowsstressthinningbe—haviourBothbreakdownconstantBanddestructionareaAcar[shOWquantitativelycementpaste’sthixotropy．Keywords：flyash；characteristicofparticlegroup；yieldstresslplasticviscosity；thixotropy混凝土是一种同时具有粘、弹、塑性的复合材料随着水泥水化的进行，混凝土从以粘塑性为主的新拌混凝土阶段逐渐进入以粘弹性为主的硬化阶段．硬化混凝土的强度、耐久性等物理力学性能的变化主要由其结构变化造成，而结构变化又与混凝土在新拌阶段的屈服应力、塑性粘度、触变性等流变参数有着密切关系．水泥浆作为混凝土的胶凝材料，是混凝土最主要的成分之一。其流变行为将直接影响混凝土的工作性因此，混凝土工作性的研究一般首先从水泥浆体的流变行为开始粉煤灰在混凝土中应用技术的发展与粉煤灰效应假说有着密切联系．所谓“粉煤灰效应”是指粉煤灰在混凝土中的行为和作用，包括形态效应、活性效应、微集料效应等．近年来．粉煤灰形态收稿日期：2001，05—11基金项目：上海市柑煤灰综台利片}科研开发基盘资助项目作者简介：管文(1975)．女，瑚北^．同挤大学硕士生维普资讯http://www.cqvip.com340建筑材料学报第4卷效应比活性效应更多地受到学者们的关注．粉煤灰颗粒群特征作为有关粉煤灰形态效应定量化的研究参数，已证明与粉煤灰的需水量比、强度比等宏观特征之间有密切关联粉煤灰颗粒群特征参数主要包括粒径及其分布，形状因子，比表面积等，其对所配制的混凝土性能有显著影响．英国利兹大学霍普金斯等人曾提出用粉煤灰的实测比表面积与由粒径分布得到的计算比表面积(假定粉煤灰为球状)之比作为粉煤灰的形状因子，并通过对几百个粉煤灰样品的评价，得到粉煤灰分级的形状因子图，并证明该图对混凝土配合比设计及混凝土工程应用有很大的指导意义．本文试图从流变学的角度，就粉煤灰的掺量、颗粒群特征等因素对粉煤灰一水泥浆体流变性的影响进行初步探讨．1原材料及试验方法1．1原材料水泥：江南小野田水泥厂525R纯硅酸盐水泥，主要技术指标见表1．实验用5种粉煤灰分别为：FA1，马鞍山发电厂；FA2，华能南通电厂；FA3，上海外高桥电厂；FA4，FA5，上海石洞口电厂这些粉煤灰的技术指标见表2．裹1水泥的主要技术指标Table1Propertiesofcement1．2流变曲线的测定新拌水泥浆体的流变性可近似地用宾汉姆模型来描述[，其流变方程为r=f0+riD(1)式中，r为剪切应力(Pa)；o为屈服应力(Pa)；为塑性粘度(Pa·s)；D为剪切速率(1／s)．本实验在(25±2)℃下进行，先将水泥和粉煤灰置于净浆搅拌锅内加水搅拌，慢速搅拌120s后停15s，接着快拌120s，然后采用NDJ一79型旋转粘度计测定浆体在各剪切速率(可由旋转粘度计的角速度换算得到)下的剪切应力值，并利用最小二乘法进行拟台，得到流变方程及相应的屈服应力、塑性粘度值．1．3触变性的测定新拌水泥浆体一般还具有触变性．Tattersal[等l1l用外筒旋转式粘度计在恒定转速下对水灰比为0．30的水泥净浆进行触变性测定发现在剪应变速率保持不变时，剪应力逐渐降这是由于水I)CJ霍昔壹斯粉煤灰对混疆土和易性的影响，粉煤灰利用拄术和市场开发译文集[M】．上悔：中国城建设粉煤灰利用技术开发中心缩，1988维普资讯http://www.cqvip.com第4期管文等：粉煤灰水泥浆体的流变性能泥浆体被迫流动时，其颗粒的絮凝结构不断遭到破坏，致使水泥浆体的塑性粘度下降，材料的这种流变行为又被称为剪切稀化(stressthinning)或结构拆散(structurebreakdown)Tattersail等人用拆散常数B和破坏面积A这2个参数来定量描述水泥浆体的触变性，即用旋转粘度计在某一个恒定的转速下，测定剪应力随时间()变化的曲线，结果如图1所示．其中初始时的最大剪应力称为r⋯剪应力平衡值称为r，图1所示曲线可表示为r=+(r一r)e(2)其中B的量纲为时间倒数B值越大，表示水泥浆体结构拆散所需时间越短，其触变性越大．实验中，可对(2)式2边取对数，得ln(r—)=一Bt十in(r一rj(3j以In(r—r)对f作图，回归得到直线方程，从而得到B值．另外，设r⋯一Te=Av，以不同角速度曲下测得的△r对曲作图(图2)．在图2中，曲线和甜轴在1个规定的角速度范围内所围成面积的大小即为A值．面积A的物理意义为单位时间内单位体积结构拆散所消耗的能量，该能量用于破坏结构中一部分粒子之间的连接．因此，A值越大表示材料触变破坏所需能量越高，即材料的触变性越小f图1剪切应力随时间的变化曲线Fig】ShearingStre&sasafunctionoftimeFig2Relationshipbetween△fand2结果与讨论2l粉煤灰一水泥浆体的漉变曲线及其拟合选用表2所示5种粉煤灰，在掺量30％(质量分数，本文中的掺量均为质量分数)及水胶比035条件下，测定粉煤灰一水泥浆体的流变曲线，并与纯水泥浆体(P0)的流变曲线进行比较其中P0，P1，P3，P5的流变曲线见图3．通过拟台得到的屈服应力、塑性粘度等流变参数见表3，表中同时给出了流变方程的相关系数衷3粉煤灰水泥浆体的藏变●撒TaMe3Rh∞pm'ametersofeemen!p雎withorwitholltny“h图3结果表明，无论是纯的还是掺加粉煤灰后的新拌水泥浆体，其剪切应力与剪切速率基本上呈线性关系，即属于宾汉姆体，这说明粉煤灰的加入并未改变水泥浆体的流变类型，但其屈服应力和塑性粘度值有了不同程度的变化由表3可见，与纯水泥浆体比较，加入需水量比小于1的FA1，维普资讯http://www.cqvip.com342建筑材料学报第4卷上时，体系屈服应力叉呈增大趋势图4(b)给出了粉煤图3粉煤灰水泥浆体的流变曲线灰．水泥浆体塑性粘度与粉煤灰掺量的关系，由图可见，¨g’3Kheotogycllrves0】mpas与纯水泥浆体相比，FA1，FA3灰的掺人可提高粉煤灰”⋯"水泥浆体系的塑性粘度，且随着粉煤灰掺量增大，体系塑性粘度增大；与此相反，FA4，FA5灰的掺人却降低了粉煤灰水泥浆体系的塑性粘度，但塑性粘度随粉煤灰掺量的变化并不显著．一般来说，r。小，表示浆体克服内摩擦力产生塑性流动的阻力较小，即浆体具有较好的工作性；而塑性粘度大，则表示浆体的内聚力较大，浆体不易离析．由此可见，相对于FA4，FA5灰而言，FA1，FA3灰的加入对改善水泥浆体的流变性较为有利．其原因可能与这几种粉煤灰颗粒群特征差异有关．尤其是FA3，FA4，虽同为二级灰，但其对流变参数的影响却截然相反．下文将就这几种灰的颗粒群特征对此作进一步的讨论．Addill~offlyash，％(a)cb图4粉煤灰一水泥浆体流变参数随粉煤灰掺量的变化Fig．4RheoLogyparameterasafunctionofadditionofflyash(a)Yiddstres。；(b)Fl~tk⋯y一——P1；●——P3}O——P4；▲一P52．3粉煤灰颗粒群特征及其与流变性的关系23．1圆度及体积比表面积“本文采用Q600图像分析系统，通过统计方法获得粉煤灰颗粒群特征参数其中，选用圆度表征粉煤灰颗粒的形状因子．圆度的定义为颗粒投影面积和与其投影等周长的圆的面积之比．球状颗粒的圆度为1．圆度越小，表示颗粒离球状的偏差(不对称性)越大．另外，采用体积比表面积，即单位体积的表面积来表征粉煤灰颗粒的比表面积．图像分析仪直接得到的是颗粒投影的平面数据，本维普资讯http://www.cqvip.com第4期管文等：粉煤灰水泥浆体的流变性能文采用球体模型对单颗粒进行三维还原即假设颗粒为球状，其直径为投影面等效圆径(即与颗粒投影等面积的圆的直径)，则对单颗粒有s南㈩其中，Sv(n，S㈨，V(?)，，D(．)分别为第i个颗粒的体积比表面积、表面积、体积、半径和等效圆径．对颗粒群的体积比表面积S有∑S(∑<．∑·D)吉D36∑D∑D(5)体积比表面积s也可作为颗粒群粒度的1种表征可以认为，颗粒群体积比表面积越大，表示其粒度越小s表征的颗粒群粒度，并不是简单意义上的所有单颗粒粒度的平均，而是综台了颗粒粒度以及颗粒的分布情况得到的，是一个综台性的参数．2．32颗粒群特征与流变参数的关系新拌水泥浆体流变学理论认为0J，屈服应力由浆体内各颗粒之间的附着力和摩擦力产生，是阻止浆体塑性变形的最大应力而塑性粘度则是水泥浆体内部结构阻碍流动的1种性能，反映了水泥浆体体系变形的速度，因此屈服应力和塑性粘度值应与浆体体系内颗粒的形状、粗细、粒径分布及比表面积等因素有关．根据粉煤灰颗粒群特征参数的定义，圆度越接近于l，则粉煤灰颗粒中圆球状颗粒越多，其“滚珠轴承作用也愈明显，有利于浆体颗粒间的相对滑动．而体积比表面积反映了粉煤灰颗粒群的粗细程度和粒径分布状况，体积比表面积越大，颗粒群的表面吸附能量也越多，则浆体颗粒容易相互连接，浆体粘度较大．同时，体积比表面积越大，润湿其颗粒的需水量也将增加，在等用水量条件下，浆体颗粒问的相对滑动较难，故浆体的屈服应力将越大由以上分析，可以认为屈服应力及塑性粘度与颗粒的体积比表面积成正比，而与圆度成反比但是，对于实际的颗粒群体，其体积比表面积和圆度总是同时变化的，分别讨论某一颗粒群特征参数与流变性能的关系意义不大，因此本文提出以“体积比表面积与圆度的比值”作为综台参数，讨论其与流变性能的关系表4给出了5种粉煤灰的圆度和体积比表面积的测试结果，以及体积比表面积与圆度的比值．由表4及表3所示塑性粘度、屈服应力的测试结果比较可见，目的试验结果与上述理论分析完全一致，即从FA1灰到FA5灰，随着S与圆度的比值减小加值减小．但ro的试验结果与上述理论分析并不一致，随着sv与圆度的比值减小，有增太趋势，这可能是由于当灰样的圆度与体积比表面积同时改变时，屈服应力受圆度的影响可能大大高于其受体积比表面积的影响当圆度从FA1灰的0905减小到FA5灰的0688时，由于不对称(非圆状)粉煤灰颗粒含量越来越高，颗粒间的相对滑动越来越困难，导致屈服应力增大而此时比表面积对"CO的影响可能可以忽略不计，故而结果表现为屈服应力随圆度和体积比表面积的同时减小而增大因此，据表4的试验结果．笔者认为是否可以得到这样的结论：对屈服应力而言，圆度的影响较体积比表面积显著，而塑性粘度则同时受圆度和体积比表面积2个因素的影响．关于这一结论，笔者认为可以考虑进一步设计实验加以验证，如设计2种圆度一致但体积比表面积不同，或体积比表面积相同但圆度不同的灰样进行实验比较．2．4粉煤灰．水泥浆体的触变性新拌水泥浆体是1种稠的悬浮液．在悬浮颗粒表面裹4囊鞋群特征TaMe4Cl~racteristicofparticlegroup维普资讯http://www.cqvip.com建筑材料学报第4卷因水泥水化形成胶凝状物质水泥颗粒之间、水泥颗粒与粉煤灰颗粒之问依靠范蒋华力和静电作用相互连接交织形成网状空间结构——絮凝体．而触变性正是水泥浆体中存在絮凝结构的反映．水泥浆体中絮凝结构的密实程度和颗粒间连接的牢固程度是影响水泥浆体触变性大小的主要因素．Tattersa][等‘1通过研究得出，拆散常数B与水泥浆体系中所含颗粒间的键合数以及破坏水泥浆体结构中1个键台所作的功成反比，即B=2ⅡK(一】)／no(6)其中m是角速度，K和为常数；是水泥浆体系所含颗粒间的键合数，n越大，表示浆体絮凝结构越密实而不易拆散，触变性越小；是破坏水泥浆体结构中一个键台所作的功，越大，表示絮凝体结构单元之问的连接越牢固，越不易拆散，触变性越小本文测定了水胶比为035，3096粉煤灰掺量下，各种粉煤灰一水泥浆体在各不同剪切速率条件下的拆散常数B值，结果见图5．图5表明，随着剪切速率的增大，B值有增大趋势．这是由于较大的剪切速率更易于破坏浆体絮凝结构中粒子之间的连接此外，与纯水泥净浆相比，在各不同剪切速率下，P2，P3的B值减小，而P5的B值增大即P2，P3的触变性小于纯水泥净浆，P5的触变性大于纯水泥净浆．从粉煤灰颗粒群特征的角度分析其与触变性的理论关系，当粉煤灰的体积比表面积较大时，能够为网状空间结构提供更多的接触点，使得水泥浆体中的絮凝结构更加密实而不易拆散，故而粉煤灰水泥浆体的触变性减小．粉煤灰圆度越大，颗粒越接近于球体，则粉煤灰水泥浆体在给定的剪切应力作用下，颗粒问相互滑动更容易，因此颗粒间连接的牢固程度减弱，即破坏水泥浆结构中一个键合所作的功减小，结构越易拆散，触变性增大．以本文试验所用的FA2灰为例，其圆度和体积比表面积都大于FA5，结果为FA2灰水泥浆体的触变性小于FA5灰水泥浆体．这可能是由于这2种灰的圆度虽不同，但其不对称性相差不大，而体积比表面积却相差1倍以上，因此与体积比表面积相比，圆度的影响被忽略的缘故图6为水胶比035，粉煤灰掺量3O％条件下，不同粉煤灰水泥浆体系剪应力差△r与剪切速率的关系根据图6，计算得到各浆体A值的结果见表5．比较各浆体的A值大小，可见各浆体触变性依P2，P3，P0，P5顺序增大．表5同时列出了B值的测试结果，可见在各剪切速率下，B值均呈现依P2，P3，Po，P5增大的趋势．这说明以触变破坏面积A和拆散常数B来描述浆体触变性大小的结论是一致的，s。D，图5剪切速率D与拆散常数B的关系图6剪应力差△r与剪切速率D的关系Fig5Effectofshearingve]ocityOFIbreakdownconstantFig6Relationshipbetweenshearingstressdifferenceandshearingvelocity一一一维普资讯http://www.cqvip.com第4期管文等：粉煤灰水泥浆体的流变性能表5各褒样B．^值的对比T曲k5Contrastbelwembreakdown∞nsn1【B】anddestrud~n~E．eIIA3结论1．新拌水泥浆体的流变特性属于宾汉姆体，粉煤灰的掺人并未改变其流变特性2．从试验的5种灰样流变参数比较可见，加入圆度和体积比表面积较大的粉煤灰，可使水泥浆体屈服应力减小，塑性粘度提高，有利于新拌水泥浆体工作性的改善3．粉煤灰一水泥浆体的触变性表现为剪切稀化，即在较大剪切速率下，浆体的塑性粘度下降．4．拆散常数B和破坏面积A均可作为水泥浆体齄变性的定量表征参数参考文献：[1]Tatt~i[GHBanfieePGFTherheology。ffresh~ncrete[M[London：Pimmn．~dvaneedPublishingProgram．1983254，305[2】沈旦申粉煤灰混凝土[M】北京：中国铁道出版社，1989149．155[3]王启宏材料流变学[M]北京：中国建筑工业出版社．1984[4]童枯嵩颗粒粒度与比表面积铡量原理[M]上海：上海科学技术文献出版杜1989．ES]杨波．俞海勇，吴科如鼓值图像分析在研究j盼煤灰颗粒群特征中的应用[J】j盼煤藏．200012：711欢迎订阅2002年《现代技术陶瓷》《现代技术陶瓷》系由山东工业陶瓷研究设计院和中国硅酸盐学会特种陶瓷分会共同主办的正式刊物，其国内刊号为CN37—1226／TQ，国际标准刊号为ISSN10051198．本刊为季刊，国内外公开发行，大l6开本，每期48页每期定价8．O0元，全年32．00元(含邮费)．本刊主要报道有关结构陶瓷、功能陶瓷、陶瓷纤维、复合材料以及工业技术陶瓷、建筑卫生陶瓷、特种耐火材料等方面的基础理论研究、应用技术研究和技术经济信息、供求信息、国内外工业陶瓷题录及文摘．本刊报道面宽，信息量大．欢迎广大读者投稿、刊登广告和订阅本刊．欲订本刊者，请向山东工业陶瓷研究设计院《现代技术陶瓷》编辑部索取订单，或直接寄32．00元至本编辑部，款到回寄发票并按时邮寄刊物地址：山东省淄博市张店区柳泉路西三巷五号山东工业陶瓷研究设计院内电话：(0533)3182675—8321、8319传真：(0533)3182189邮编：255031维普资讯http://www.cqvip.com