超細(xì)沸石粉對(duì)水泥凈漿結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的影響

劉耀強(qiáng)

摘 ? 要：超細(xì)沸石粉是經(jīng)過(guò)天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的細(xì)度，火山灰活性高于粉煤灰和礦粉，低于硅灰和偏高嶺土。靜態(tài)屈服應(yīng)力是水泥基材料一個(gè)重要的流變參數(shù)。靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)速率經(jīng)常被用來(lái)表征水泥基材料的觸變性/結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，對(duì)水泥基材料的穩(wěn)定性、形狀保持能力和分層澆注非常重要。在本文靜態(tài)屈服應(yīng)力每15min測(cè)試一次，持續(xù)127min。同時(shí)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)試。結(jié)果表明摻入超細(xì)沸石粉提高了漿體的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、塑性粘度和觸變環(huán)面積。在等摻量的情況下，超細(xì)沸石粉提升結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的能力低于硅灰和偏高嶺土。

關(guān)鍵詞：超細(xì)沸石粉 ?結(jié)構(gòu)構(gòu)筑 ?水泥

中圖分類號(hào)：TU528.01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0016-04

Abstract： Superfine zeolite is obtained by grinding natural zeolite， which has higher fineness than cement. The pozzolanic activity of superfine zeolite is higher than that of fly ash and slag， lower than that of silica fume and metakaolin. Static yield stress is an important rheological parameter of cement-based materials. The growth of static yield stress is often used to characterize the structural build-up/thixotropy of cement-based materials， which is crucial for the stability， shape-holding capacity and multi-layer casting. In this paper， static yield stress was measured every 15 min over 127 min. At the same time， dynamic yield stress test was measured. Results showed that the addition of superfine zeolite increases the dynamic yield stress， plastic viscosity and thixotropic area of paste. Under the condition of equal dosage， the ability of superfine zeolite to enhance the structure build up is lower than that of silica fume and metakaolin.

Key Words：Superfine zeolite; Structural build up; Cement

沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，含有高含量的二氧化硅，這為作為混凝土膠凝材料提供可能性。它可以通過(guò)采礦[1]或工業(yè)廢料通過(guò)化學(xué)合成[2]獲得。將沸石粉作為礦物摻和料，部分取代水泥可以減少水泥消耗，降低碳排放量。同時(shí)沸石的莫氏硬度一般在2-3[3-4]，而?；郀t渣的莫氏硬度一般在6-7[5]。因此，使用沸石作為粘結(jié)劑可以大大節(jié)約能源和成本[6]。

超細(xì)沸石粉是經(jīng)過(guò)天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的細(xì)度，火山灰活性高于粉煤灰和礦粉，低于硅灰和偏高嶺土，但是磨碎沸石可以成為比硅灰或偏高嶺土更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的替代品[6]。Ahari[7]等人從形貌和水化比較了硅灰和偏高嶺土對(duì)流變的影響。Baldino[8]等人研究表明人工沸石粉提高結(jié)構(gòu)構(gòu)筑能力優(yōu)于石灰石粉，最優(yōu)摻量為10%。結(jié)構(gòu)構(gòu)筑是由于新拌漿體的“強(qiáng)度”由于物理或化學(xué)作用，隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象。由于混凝土成分的密度差異，靜置狀態(tài)下的新拌混凝土容易發(fā)生離析，在重力作用下容易發(fā)生流動(dòng)和變形。較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率有利于混凝土的穩(wěn)定性和塑形能力。當(dāng)新拌混凝土靜置時(shí)，由于膠體絮凝和水泥水化作用，顆粒之間會(huì)發(fā)生相互作用，從而形成結(jié)構(gòu)構(gòu)筑。因此，水泥漿體可以包裹骨料抵抗重力，防止發(fā)生偏析的，從而提高混凝土的形狀保持能力。結(jié)構(gòu)構(gòu)筑對(duì)混凝土的穩(wěn)定性，滑模攤鋪施工，分層澆筑和3D打印混凝土極為重要[9-16]。故本文對(duì)比了超細(xì)沸石粉、硅灰和偏高嶺土對(duì)水泥凈漿流變性能的影響，探究超細(xì)沸石粉對(duì)水泥凈漿結(jié)構(gòu)構(gòu)筑的影響，對(duì)比其與硅灰和偏高嶺土之間的差異。

1 ?原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥（PC）采用P·O 42.5安徽海螺水泥;超細(xì)沸石粉（Superfine zeolite-SFZ 由寧波嘉和新材料有限公司提供，平均粒徑3μm。偏高嶺土（MK）采用內(nèi)蒙古超牌科技有限公司提供的K-1300型偏高嶺土，活性指數(shù)為120，平均粒徑1μm。硅灰（SF）由山東博肯硅材料有限公司提供，活性指數(shù)為115，平均粒徑0.15μm。超細(xì)沸石粉、水泥、偏高嶺土和硅灰物理和化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。水為咸陽(yáng)市飲用自來(lái)水。

1.2 制備

考慮不同礦物摻合料對(duì)減水劑吸附程度的影響，本實(shí)驗(yàn)不加入減水劑，采用水膠比0.5，凈漿試驗(yàn)配比見(jiàn)表2。使用NJ-106A型水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌。攪拌方式為：慢攪30s，停30s（刮下鍋內(nèi)壁和葉片上的粉體），快攪90s，最后慢攪30s結(jié)束。試驗(yàn)溫度保持在25℃。

1.3 流變性能測(cè)試-動(dòng)態(tài)測(cè)試

采用德國(guó)Anton Paar 公司生產(chǎn)的RHEOPLUS QC 型同軸圓筒流變儀測(cè)定水泥漿體流變曲線。試樣筒容積為163mL，高為118mm。（同軸圓柱轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)子型號(hào)為CC39，直徑為4cm，試樣筒內(nèi)徑為4.194cm。從水泥與水接觸計(jì)時(shí)開始，6min開始測(cè)試。以100s-1恒定速率預(yù)剪切60s，停15s，再以0-100s-1線性增長(zhǎng)剪切速率剪切60s，達(dá)到100s-1剪切速率時(shí)，恒速剪切15s，最后100-0s-1線性下降剪切60s。

1.4 靜態(tài)測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試從15min開始，以0.01s-1剪切速率持續(xù)剪切60s，然后靜置900s。重復(fù)第一步的剪切步驟，直至127min結(jié)束。由于流變儀剪切應(yīng)力極限為450Pa，當(dāng)測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)力達(dá)到極限值時(shí)，終止測(cè)試。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試示意圖如圖1所示。采用賓漢姆模型擬合20s-1-80s-1區(qū)間下行段數(shù)據(jù)，上行段與下行段之間的面積稱為觸變環(huán)。動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、塑性粘度和觸變環(huán)面積結(jié)果見(jiàn)表3。由表可以看出，摻入超細(xì)沸石粉、硅灰和偏高嶺土均提高了漿體的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度[7]，等摻量的情況下，摻入超細(xì)沸石粉，增長(zhǎng)幅度小于硅灰和偏高嶺土。當(dāng)超細(xì)沸石粉摻量為硅灰和偏高嶺土的二倍時(shí)，動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力和塑性粘度高于硅灰和偏高嶺土。從觸變環(huán)的面積變化來(lái)看，硅灰最為明顯，偏高嶺土和超細(xì)沸石粉次之。同時(shí)也說(shuō)明超細(xì)沸石粉也具有提高觸變性的能力，這也與文獻(xiàn)[8]結(jié)論相符。

2.2 靜態(tài)測(cè)試

靜態(tài)測(cè)試圖像如圖2。由于剪切應(yīng)力極限值為450Pa，當(dāng)摻入一定量超細(xì)沸石粉、硅灰和偏高嶺土?xí)r，存在靜態(tài)測(cè)試未到127min，測(cè)試即終止，測(cè)試次數(shù)小于8，各種配合比漿體的測(cè)試有效次數(shù)見(jiàn)表格4。隨著漿體靜置時(shí)間越長(zhǎng)，靜態(tài)屈服應(yīng)力越大，達(dá)到峰值所需時(shí)間也越久，這表明漿體流動(dòng)之前，靜置時(shí)間越久，變形越大。

不同配比水泥凈漿靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)曲線如圖3?？梢钥闯龀?xì)沸石粉、硅灰和偏高嶺土對(duì)靜態(tài)屈服應(yīng)力影響程度是不同的。靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)速率對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率[9]。表4給出了不同配比的增長(zhǎng)速率。其中在相同摻量的情況下，硅灰和偏高嶺土結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率大于超細(xì)沸石粉，當(dāng)超細(xì)沸石粉摻量10%時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率均高于摻量為5%的硅灰和偏高嶺土。在跟試驗(yàn)中得到的靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)速率與Billberg[10]的試驗(yàn)結(jié)果相似。同時(shí)可以看出，在靜態(tài)屈服應(yīng)力測(cè)試前1h內(nèi)，應(yīng)力圖像增長(zhǎng)接近線性增長(zhǎng)方式。在1～2.5h內(nèi)，增長(zhǎng)曲線解決指數(shù)型增長(zhǎng)模式。這說(shuō)明在前期，水化反應(yīng)較慢，水化反應(yīng)誘導(dǎo)期還未結(jié)束，靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，接近線性增長(zhǎng)。當(dāng)水化反應(yīng)變快的時(shí)候，靜態(tài)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)也隨之加快。

2.3 討論

表5列出了結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率和觸變環(huán)面積，并以對(duì)照組為參考值進(jìn)行量化。可以看出摻入超細(xì)沸石粉、偏高嶺土和硅灰均提高了結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率和觸變環(huán)面積，這充分說(shuō)明超細(xì)沸石粉可以提高水泥凈漿的觸變性，其性能低于偏高嶺土和硅灰，這可能由于超細(xì)沸石粉細(xì)度較大，火山灰活性較低的原因。這也說(shuō)明，將天然沸石粉磨細(xì)，可以替代部分水泥，成為礦物摻合料，提高水泥漿體的觸變性，這也為沸石粉的用途，增加沸石粉的用量，減少環(huán)境污染和降低碳排量提供了更大的可能性。同時(shí)可以看出，隨著粉體材料取代比例的提高，觸變環(huán)的增長(zhǎng)幅度大于結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率。在低剪切速率剪切下，漿體破壞程度較小，通過(guò)對(duì)靜態(tài)屈服應(yīng)力的測(cè)試，更加能反應(yīng)漿體的構(gòu)筑速率[9]。

3 ?結(jié)語(yǔ)

（1）摻入超細(xì)沸石粉提高了水泥漿體的動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力、塑性粘度和觸變環(huán)面積，且隨著摻量的提高，增長(zhǎng)幅度越大。在相同摻量的情況下，提高程度低于硅灰和偏高嶺土;

（2）摻入超細(xì)沸石粉提高了水泥漿體的結(jié)構(gòu)構(gòu)筑速率，增大了水泥漿體的觸變性，隨著摻量的提高，提升水泥漿體的觸變性能更加明顯。

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