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矿物掺合料对水泥浆体和混凝土的流变性能的影响

摘要

水泥净浆流变测试成功的被用来选择矿物掺合料的种类和剂量来改善混凝土的和易性。在所测试的六个不同矿物外加剂中，超细飞灰（UFFA）测定通过降低屈服应力和粘度，得到最好的结果。这些改进的流变性质并没有通过增加水的需求或高范围减水剂（HRWR）外加剂用量实现。因此，加入UFFA在没有硬化性质的电位下降或成本增加的情况改善了具体流程。基于水泥净浆试验得出的结论是由混凝土坍落度试验验证。水泥浆流变数据是用两个简单的测试，分坍落度和Marsh筒还比较。该目标是确定的简单测试是否可以用来充分表征水泥浆料的流变学。得出的结论是，这些简单的测试是不可靠的测量操作。

关键词：流变；水泥浆体和易性；新拌混凝土

1，引言

高性能混凝土（HPC）是含有5到10种不同材料的复杂混合物。各种材料之间的相互作用可能会导致加工性的巨大差异，这也取决于所用的具体材料和比例。通过测试混凝土确定可加工性性质并不总是实用的。广泛混凝土试验需要大量的材料和劳力，这是昂贵的。因此，有必要通过一个更简单，更便宜的实验室方法来预测混凝土的工作性能。本文介绍企图利用中水泥浆流变测量混凝土和易性的合理指标。混凝土的可加工性，根据美国混凝土协会（ACI）被定义，混凝土浇筑的易用性，通常是由滑锥试验的结果进行定量的。

水泥净浆流变测试成功地被用来选择矿物掺合料的种类和剂量来改善混凝土的和易性。水泥净浆测试得出的结论是由混凝土坍落度试验验证，也有人认为是有趣的比较与两个常用的实证结果的流体流变仪的基本参数（屈服应力和粘度）测试中，微型坍落度和Marsh筒试验。如果一个关系可以建立，经验测试可以用于设计为给定的屈服应力和粘度，或者，材料至少是，根据屈服应力或粘度等级不同的材料。

研究矿物掺合料的影响的决定是在近期决定增加使用矿物掺合料提高混凝土的耐久性。 经济学（低级水泥要求）和环境因素也有在矿物外加剂使用的生长的作用。下部水泥要求也导致由水泥生产中产生的二氧化碳的量的减少，。而采用一个矿物外加剂的利用通常会约束为填埋的产物。因此，存在有使用矿物外加剂双重环境效益 。

2，背景

2.1混凝土的和易性表征

混凝土和易性不一定能牺牲改善硬化性能，例如耐久性和强度。加工性通常在现场由坍落度筒试验的结果量化。然而，一项调查显示[1]由全国预拌混凝土协会（NRMCA）和标准与技术研究所（NIST）进行了确定，为HPC，坍落度锥值并不代表容易处理高性能计算 场。据报道，用相同的坍落度混凝土混合物可能不表现放置期间相同的方式。这意味着低迷的价值没有给予足够的数据充分体现具体流程。

在建筑领域，如加工性，流动性，和凝聚力术语被使用，有时可以互换，以描述混凝土的流动行为。这些术语的定义是非常主观的。因此，有需要一种更基本的和定量的具体流程的描述。流变测量浓缩悬浮液可被用于描述混凝土的流动。许多研究[2—4]已经成功地使用了宾汉姆方程。两个参数限定的流动：屈服应力和塑性粘度[5]。屈服应力与低迷[6,7]有关，但胶的粘度，通常被忽略，因为只有少数类型仪器存在衡量[8]。但是，粘度可能与诸如粘性，可灌筑，可泵送性，和饰面属性有关。另外，偏析可以被定义为骨料中的水泥浆剂迁移（或漏极）的能力。这种现象被链接到水泥浆料的粘度和混凝土混合物设计。因此，

来预测混凝土的方法和易性需要考虑不仅仅是屈服应力。

2.2从水泥浆流变看混凝土流变

外加剂主要影响水泥膏的流动行为，而不改变骨料的组合物行为。因此，因此，我们有理由尽量选择外加剂，化工及矿产，仅测试水泥浆。理想的情况下，结果将与混凝土的和易性相关。不幸的是，这种水泥浆流变与混凝土之间的流变关系从来没有完全确立。造成这种情况的主要原因是水泥浆料的流变性实在水泥浆在混凝土中从未有过的条件下测量的。因此，测得的水泥浆流变参数可能与从混凝土参数估计不同。通常在文献中水泥糊状物报告的值没有考虑到骨料[9]的贡献。通过混合处理骨料作为散热片和剪切水泥浆体的角色。计算机化的模型来模拟被剪了具体的正在开发的NIST[10]。这种模式将预测从构成属性到水泥净浆流变测量。

然而，水泥浆的流动性，如果测得的``正常“，”可被用于筛选矿物外加剂。该方法的细节在别处[11]提出，但以下原则应该重申。水泥浆需要被混合和测验并类似于在混凝土，在主要的剪切和温度的历史经验的条件下。因此，应使用高剪切，温度控制的混合器。为了测量水泥浆料流的流变参数，平行板流变仪，必须使用，因为它是具有可变几何形状的唯一流变仪。已经确定[12]，如果该材料的两个表面或聚集体之间挤压作为混凝土水泥膏改变的流变学特性。表面之间的距离被称为``间隙。在一个平行板流体流变仪，在板之间的间隙或距离可以很容易地改变，以更准确地表示在混凝土施加浆的剪切作用。在本文中，水泥浆使用上述方法的类型和矿物外加剂的剂量的函数进行测量流变参数。

2.3在可操作性细粉添加剂中的作用

通常报道称，如果固体的体积浓度保持恒定，如果加入矿物外加剂会提高混凝土的性能，但降低了和易性。对和易性变差的最常见的原因是在加入细粉末由于表面积的增加从而增加水的需求。这种信念是由测试结果表明，在加入细硅粉（SF）的颗粒增加了水的需求，以达到特定的和易性水平。然而，在某些情况下，据报道，该使用细矿物外加剂可以减少水需求或增加坍落度。 Lange等。 [13]测定砂浆的随极细高炉矿渣的增加对水的需求。他发现，对于特定的流，高炉矿渣的最佳量降低了砂浆的水需求。一个流行的假说提出了解释了和易性增强，由于使用某些精细矿物掺合料，特别是粉煤灰（FA）或SF，是球形颗粒很容易彼此翻身，减少之间的摩擦[14]。球形形状粒子的表面最大程度地减少对体积比，导致低的流体需求。除了所有的3D形状，球体给出对于一个给定的最小表面积

量[15]。 Sakai等。 [16]报道在湿状态下粉碎颗粒比用球形颗粒能获得更高的堆积密度。这导致了球状壳体较低的水保留和为特定和易性随后较低的水需求。一个依赖性很强的流动性（定义为粘度的倒数）的平均粒径被报道有劣性价值[ 16 ]。这说明，一个最佳的粒径，包装密度是最大的，这有助于实现最大的流动性。最近，柯林斯和sanjayan [ 17 ]报道柯林斯和sanjayan [ 17 ]报道，在含有碱活性磨细矿渣混凝土的指标，用超细材料取代部分粘合剂可以提高和易性。这种材料有90%的质量小于13.7毫米的颗粒另据报道，一些类似的材料并没有有效地提高和易性。从这宗文献的调查可以得出结论，选择细矿物掺合料以改善混凝土的和易性不是一个简单的问题。目前，这个选择不能从掺合物的物理或化学特性的预测，只能使用适当设计的试验来确定。

3材料，混合，和测试细节

这里提供的材料，混合，和测试要求仅用于水泥浆料的测试。在第5节中提供的具体的测试计划的细节。

3.1材料

水泥是ASTM I型波特兰水泥，其组合物在表1中描述。这种水泥用于所有测试中，包括混凝土和水泥浆。高范围减水剂（HRWR）与43％的活性成分的质量分数基于磺酸盐萘产物。所使用的矿物掺合料与它们的平均粒径（PDS）示于表2。PD是使用激光衍射粒度分析仪测量。四种不同的FA，全部来自相同的植物，进行了测试。FA是标准的FA可用的部分被应用在混凝土类型。粗飞灰（CFA）是一个粗灰，它通常废弃，因为它不符合粒度ASTM C618规定。细飞灰（FFA）是从用分级较粗灰分离得到灰分的更精细的形式。超细粉煤灰（UFFA）是由更严格的分离而获得的极细灰。

改变水泥浆体组成，以探索矿物掺合料用量和类型对流变性能的影响。由于添加掺合料而造成性能差异是通过在恒定水含量的流变性能或通过在恒定矿物水减少和化学外加剂用量测量的。水泥浆料的组合物可概括如下：

*水/水泥比：0.28—0.35；

*剂量矿物掺合料：水泥0—16％，质量取代水泥

*（基于萘磺酸盐凝）HRWR用量：0.45—0.70％的水泥质量的固体物料

Table 1

Cement composition

Chemical composition Percentage by mass

Loss on ignition (LOI) 1.29

Sulfur trioxide (SO3 ) 2.79

Silica dioxide (SiO2) 20.86

Ferric oxide (Fe2O3) 3.47

Magnesium oxide (MgO) 1.21

Aluminum oxide (Al2O3) 4.60

Equivalent alkalies (as Na2O) 0.46

Calcium oxide (CaO) 64.34

Free lime —

Insoluble residue (IR) 0.1

Tricalcium silicate (C3S) 59.57

Tricalcium aluminate (C3A) 6.31

Table 2

Mineral admixtures

No. Name Mean PD [mm]

1 Coarse Fly Ash (CFA) 18.0

2 Fly Ash (FA) 10.9

6 Fine Fly Ash (FFA) 5.7

3 Ultra Fine Fly Ash (UFFA) 3.1

4 Metakaolin (MK) 7.4

5 Silica Fume (SF) 约等于0.1

3.2水泥净浆的制备

水泥浆制剂是很重要的因为混合物的剪切历史将影响其流变行为。在这种情况下，我们希望有相同的剪切历史，以便混凝土能够有比较整齐水泥浆行为和混凝土流动。两种类型的混合器被考虑：一个标准桨混合器[18]和一个高速搅拌机。水泥浆是根据ASTM C305方法的程序在桨式混合器中混合，不同之处在于不加入沙子

使用第二混频器是一个大型（4L）混合器。 这个搅拌机没有温度控制。水泥浆料混合物按以下程序制备。

*用手在搅拌机外将水泥和矿物外加剂（如有的话）分别为大约5秒混合干。

*水倒入4升的搅拌机。

*混合机低速开始然后水泥和矿物外加剂在50s上加入。

*HRWR在5s内加入。

*混合物在低速下混合60s。

3.3水泥浆测试细节

新鲜水泥糊样品中的平行板流体流变仪首先测试，然后使用微型坍落度与Marsh筒。测试细节将在下面给出。

3.3.1平行板流变仪

平行板流变仪被用来测定屈服应力和塑性粘度由宾厄姆定义。应当在混凝土混合物中的水泥糊状内容待表征处选择平行板流变仪的两个板之间的距离。然而，由于这种方法在这里作为一种筛选试验，并没有特定的具体混合物的设计作比较，这个距离被任意固定为0.4毫米，基于聚集体在混凝土之间的距离的中值 [11]。所用的剪切速率范围为3至50秒.这个范围被选择为对应在一个具体的流变仪使用的剪切速率[7]。两个板的表面被呈锯齿状，如由制造商提供，以避免打滑。以下是进行测量的序列的列表。

*用注射器在底板放入1毫升水泥浆

*两个板被带到一起为0.4mm的理想距离

*计算机驱动系统施加的从0到70次每秒的缓慢增加的剪切速率

在160秒内。只要最高剪切速率已经达到，板停止转动

*经过第一阶段（均质化试样需要），增加的剪切速率的由10个步骤，Y 1一个完整的周期为3至50次每秒，并返回到0的剪切速率与另一个10个步骤进行。在每一个步骤中，应力测定并记录恒定应力的值。如果恒定应力未在20秒来实现，该计算机把该最后五个值的平均值记录下来。

*向下曲线（降低剪切速率）的斜率来计算塑性粘度，而在零剪切速率下的截距来计算屈服应力。所获得的曲线的一个例子示于图。 1。

3.3.2微型坍落度锥测试细节

Kantro[19]研制的微型坍落度筒试验。 测试如下进行：

*在其对角线和中位数分别跟踪的方片平板玻璃覆盖着塑料布。需要塑料片，以避免水中或流浆泄漏。

*装有水泥浆的微型坍落度筒放置在玻璃板的中心

*把筒轻轻抬起并在一分钟后，在四个方向沿标记行测定在玻璃上形成的焊盘的直径。

*四个直径被记录下来，平均直径就得出来了。

3.3.3沼泽锥测试细节

沼泽锥是一个漏斗，有一个长长的脖子和一个5毫米开口，目前用于测试油井水泥[ 20 ]。这个测试不是标准测试。试验是使用以下程序。

*沼泽锥形附着到一个支架，以使小孔指着下来，一个玻璃量筒放置在锥下

*用手指堵住小孔，将1L水泥浆倒入锥中。

*小孔开的时候开始计时。<!--

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