特細砂替代率對自密實砂漿流變性的影響

林忠財，許瀟，Hamideh Mehdizadeh，王敏

（湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410082）

從顆粒大小來看，細度模數(shù)處于0.7～1.5 或平均粒徑在0.25 mm 以下的砂可稱為特細砂（Ultra Fine Sand，UFS），其粒徑多集中在0.1～0.6 mm，多來自于河床沖刷淤積底砂或沙漠風(fēng)化磨蝕細砂［1］.早前研究中特細砂被定義為低級的、不可利用的原材料，因此工程中澆筑混凝土所使用的細骨料大部分都是中、粗砂.然而，部分地區(qū)中砂資源極度匱乏，特細砂資源相較豐富，在此類地區(qū)工程建設(shè)所需中砂運輸費用增加，特細砂資源浪費［2］.長江和黃河江岸則就地取材，使用細度模數(shù)為0.5～1.5 的特細砂作細骨料制備高性能混凝土［3-4］.國內(nèi)還曾在安居、渭淪等水電站大體積混凝土中使用特細砂，但由于其依照常規(guī)混凝土設(shè)計方法，導(dǎo)致了一定程度的收縮開裂問題.在前人的研究中，馬紅娜等［5］認為使用特細砂拌制C20 以上泵送混凝土的水膠比不能低于0.5；謝祥明和黃緒通［6］提出了“低砂率、低坍落度、低水泥用量”的配制方法來優(yōu)化特細砂混凝土的流動性；劉登賢等［7］以30%特細砂替代機制砂設(shè)計的超高層泵送混凝土可滿足良好的流動性和粘聚性；蔣聚桂等［8］發(fā)現(xiàn)特細砂所能配制的混凝土的最大流動度隨含砂量增大而降低.

特細砂也被研究應(yīng)用于制備抗裂砂漿、粘結(jié)砂漿、自密實砂漿和自流平水泥基材料［9-11］，其中自密實砂漿（Self-consolidating Mortar，SCM）可為不平基材提供光滑的基底，同時還能提高大面積施工效率［12］，它需要良好的流動性和一定的保水性，確保在其后續(xù)混凝土配合比設(shè)計時不會發(fā)生離析、泌水現(xiàn)象.自密實砂漿的性能評價是自密實混凝土設(shè)計中必不可少的一部分［13］，當(dāng)骨料確定后，可通過調(diào)節(jié)自密實砂漿的流變系數(shù)來得到滿足自密實性能的混凝土［14］.根據(jù)歐洲自密實混凝土指南，自密實砂漿的擴展度在240～260 mm，微坍落擴展度（膠砂流動度）需要達到180 mm，V漏斗流動時間在7～11 s內(nèi)［15］.學(xué)者們還通過研究黏度、屈服應(yīng)力等流變參數(shù)定量表征自密實砂漿工作性能變化的背后機理，其中黏度反映了漿體流動速度的快慢，可看作漿體各平流層流動方向相反的阻止其流動的粘滯力，主要由顆粒表面水膜厚度決定［16］.在流變實驗中，絮凝的水泥基材料受剪切應(yīng)力影響而分散，其黏度隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及剪切速率的變化而改變［17］，實驗通常選擇用流動梯度實驗來測其黏度；而屈服應(yīng)力是漿體受剪切作用開始流動時的剪切應(yīng)力臨界值，主要是漿體膠凝材料顆粒間或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)間的摩擦及相互吸附產(chǎn)生的阻力［18］.在復(fù)合水泥基材料體系中，原材料的細度與摻量相互平衡制約，從而改變漿體流變性能的主導(dǎo)地位，并使得漿體的屈服應(yīng)力和塑性黏度隨之變化［19］.在前人的研究中，Tang 等［20］認為高流動性能混凝土遵循賓漢模型，且適宜選用黏度為3 500～5 500 Pa·s的砂漿；Chidiac 等［21］和Tregger 等［22］發(fā)現(xiàn)自密實混凝土的黏度與其達到一定坍落擴展度所需時間相關(guān)；吳瓊［23］以擴展度和V 漏斗測試研究了自密實凈漿對自密實混凝土流動性的影響，并以理論計算公式給出了SCM 屈服應(yīng)力上限和黏度下限；王裕宜等［24］以不同河沙代替碎石，研究其對自密實砂漿流動性的影響；宓永寧等［25］發(fā)現(xiàn)在相同配合比下，特細砂混凝土的坍落度要比中砂混凝土的坍落度低9～11 mm，且均具有良好的保水性和粘聚性，坍落度要求在40～60 mm 時，特細砂配制的混凝土拌合物坍落度要比中砂混凝土拌合物坍落度小，且抗壓強度均不同程度地高于中砂混凝土的強度.同時學(xué)者們也強調(diào)了外加劑對自密實漿體的流動性影響顯著：在特細砂砂漿中摻入纖維素可減少泌水和離析［26］，聚羧酸系減水劑配合威蘭膠型纖維素共同使用可更好地滿足砂漿保水性［27］.

自密實混凝土體系漿體的流動性和強度都隨著其堆積密度增大而增大［28-29］，因此可利用二級骨料、廢細骨料等非通常材料來替代中砂用量，增加堆積密度，填充混凝土骨架，同時可保證自密實混凝土體系流動性和稠度.本文以特細河砂為例，主要研究了特細砂替代中砂（即ISO 標準砂，Normal Sand，NS）時不同替代率對砂漿流變性的影響，其中包括膠砂流動度、經(jīng)時流動性損失、經(jīng)時黏度、靜態(tài)屈服應(yīng)力、變速下黏度和剪切變稀指數(shù)等因素的影響，可為在高性能水泥基復(fù)合砂漿的混凝土構(gòu)件粘結(jié)修補［30］等實際工程中使用特細砂的自密實水泥砂漿提供相關(guān)流變性能理論與參考.

1 實驗

1.1 試劑與材料

水泥為P·I 42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為340 m2/kg，平均粒徑為16.49 μm，密度為3 150 kg/m3.

特細砂為長江下游河道內(nèi)特細砂，其中值粒徑約0.30 mm，粒徑主要集中在0.20～0.60 mm 之間，各粒級從重量占比來看，0.24 mm 以下約占28%，0.24～0.40 mm 約占29%，0.40～0.60 mm 約占33%.特細砂和水泥的化學(xué)組成如表1 所示.中砂使用廈門艾思歐標準砂（ISO GSB08-1337），級配位于Ⅲ區(qū)，其重量占比0.25 mm 以下約6%，025～0.40 mm 約（54±5）%，0.40～0.60 mm 約（40±5）%，特細砂和標準砂的物理性能如表2所示.

表1 特細砂和水泥的化學(xué)組成（質(zhì)量分數(shù)）Tab.1 Composition of cement and UFS

表2 特細砂和標準砂的物理性能Tab.2 Physical properties of UFS and NS

減水劑為上海臣啟聚羧酸系CQJ-JSS 減水劑（Superplasticizer，SP），摻量為水泥質(zhì)量的5%，減水劑粉體溶于實驗用水中；纖維素為上海臣啟S-130（1）型威蘭膠（Welan Gum，WG），摻量為水泥質(zhì)量的0.5%，纖維素粉體攪拌在已溶解了減水劑的實驗用水中；水灰比為0.35，灰/（特細砂+中砂）（質(zhì)量比）為0.5，各組特細砂替代率依次為0%、10%、20%、30%、40%和50%，不同替代率下的砂漿配合比如表3所示.

表3 不同替代率下的砂漿配合比Tab.3 Mix design at each UFS replacement ratio

1.2 流動性能測試

1）砂漿的自密實性能由V 漏斗實驗表征［15］.V漏斗經(jīng)清水沖洗干凈后置于臺架上使其頂面呈水平狀態(tài)，體側(cè)為垂直狀態(tài).用濕布濕潤V 漏斗的內(nèi)表面后關(guān)上底蓋，由漏斗的上端平穩(wěn)地填入砂漿，用刮刀沿將漏斗上端砂漿頂面刮平，靜置10 s 后，打開底蓋，用秒表測量自開蓋至漏斗內(nèi)漿體全部流出的時間，精確至0.1 s.

2）砂漿的經(jīng)時流動性損失按照測試方法［15，31-32］，把砂漿在攪拌儀Ibertest Autotest 200/10 中，先以140 r/min轉(zhuǎn)速攪拌2 min，暫停30 s后以285 r/min轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌2 min，隨后把砂漿填充在70 mm×100 mm×60 mm 的截錐型模具中備平，完成后垂直提起，在跳桌上振動10 次后釋放使其流動，取三個方向上直徑的均值為微坍落度.

1.3 流變性能測試

所用流變儀為Brookfield-DV3T-HB，配有扇形轉(zhuǎn)子EZ-lock-v73（扇直徑=12.67 mm，扇長=25.35 mm），流變測試均使用高70 mm、直徑55 mm 的容器盛放樣品，樣品頂部預(yù)留約25 mm 的空間，容器放置在25±0.5 ℃的恒溫水浴中進行實驗.

經(jīng)時黏度的測試，首先將試樣混合后使用小型攪拌器以約150 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌均勻，迅速移入流變儀進行1 h的表觀黏度測試，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度保持在100 r/min，黏度取每次轉(zhuǎn)動上行和下行的平均值.

在30 s 的采樣時間段內(nèi)，以0.1 r/min 的轉(zhuǎn)速計算出漿體的最大轉(zhuǎn)矩，再對結(jié)果乘以手冊中提供的對應(yīng)轉(zhuǎn)子因數(shù)428 000得到最后靜態(tài)屈服應(yīng)力（結(jié)果由流變儀自動轉(zhuǎn)換）.

為確定漿液樣品改變轉(zhuǎn)速下的黏度和剪切變稀指數(shù)（Thinning Index，TI），根據(jù)ASTM-D-2196-05［33］采用如圖1 中的如下步驟：1）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度分步從0 上升到100 r/min，每轉(zhuǎn)速下在其開始后的第10轉(zhuǎn)記錄其表觀黏度；2）下坡道與上坡道采用相同操作，分步降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速直至停止轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)速下的黏度取上下坡均值；3）完成一周期后，TI取值為低轉(zhuǎn)速與高10倍轉(zhuǎn)速下表觀黏度的比值，如公式（1），其中η為測出的表觀黏度，數(shù)字下標為此刻轉(zhuǎn)動速度.本實驗中取轉(zhuǎn)速10 r/min和100 r/min下二者的黏度比值，根據(jù)預(yù)實驗，10 r/min 前的黏度梯度變化大，不宜選取.

圖1 黏度的取值方法Fig.1 Determination of viscosity R/MIN-dependent

2 結(jié)果與討論

2.1 流動性能

特細砂替代率對自密實砂漿流動性能的影響如圖2 所示，特細砂摻量為10%～50%的砂漿流動性均低于特細砂摻量為0%時，這是由于特細砂的吸水率大于標準砂，特細砂的摻入導(dǎo)致砂漿體系中自由水含量減小，進而使其流動性能變差.特細砂替代率在0%～30%范圍內(nèi)，砂漿的擴展度降低，V 漏斗流動時間增加，即砂漿的流動性隨著特細砂替代率的增加而降低，這是由于隨著特細砂替代率增加，細骨料細度模數(shù)降低、比表面積增加，從而濕潤細骨料表面所需用水量也增加，砂漿基質(zhì)中實際拌合水量降低所導(dǎo)致；然而，特細砂替代率在30%～50%范圍內(nèi)時情況則相反，即砂漿的流動性隨著特細砂替代率的增加而增加，表現(xiàn)為砂漿的擴展度增加，V 漏斗流出時間降低，這歸因于特細砂間增高的內(nèi)聚力和更優(yōu)的細骨料級配［34］，特細砂原材中0.25 mm 以下的粒級占比約達28%，可細骨料中占比極少（6%）的連續(xù)0.25 mm 以下粒級.當(dāng)特細砂替代率大于30%時，兩種砂成分中0.25 mm 以下的超細顆粒含量總共約有14.4%，能足夠明顯地彌補細骨料超細顆粒所缺的粒級，使自密實砂漿中細骨料的間斷級配得到優(yōu)化.特細砂粒徑對級配的積極影響要大于其更高吸水率帶來的負面影響.

圖2 特細砂對自密實砂漿流動性能的影響Fig.2 Influence of UFS ratio on SCM fluidity

綜上所述，在使用特細砂替代中砂制備自密實砂漿時，替代率需平衡細骨料級配效應(yīng)和特細砂吸水率間的關(guān)系，這兩方面因素相互制約，使得自密實砂漿流動性能出現(xiàn)明顯的臨界點.替代率30%～40%的實驗組砂漿流動性最低，此時特細砂吸水率使砂漿流動性的降低大于特細砂補充間斷級配后帶來的砂漿流動性的增大，即特細砂吸水率對流動性能的降低作用占主導(dǎo)地位，故特細砂替代中砂制備自密實砂漿的替代率可在20%以內(nèi).

2.2 特細砂替代率對砂漿經(jīng)時黏度的影響

特細砂不同替代率下自密實砂漿黏度隨時間的變化如圖3 所示.特細砂的加入提高了自密實漿體的黏度，并且隨著特細砂替代率變大，自密實砂漿黏度依次增大，在60 min時，不同替代率下特細砂自密實砂漿的黏度依次為4 790 Pa·s、5 480 Pa·s、8 731 Pa·s、9 850 Pa·s 和10 440 Pa·s，由于特細砂替代率的增加，自密實砂漿基質(zhì)的含水量的降低，故黏度增大.此外，各替代率下漿體的經(jīng)時黏度呈緩慢增長的趨勢，并且隨著時間推移達到動態(tài)平衡，這是由于水化反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生產(chǎn)生了絮狀結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著時間的增長，絮狀結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的生成量增加，因此自密實砂漿的黏度隨時間增加.

圖3 特細砂對自密實砂漿經(jīng)時黏度的影響Fig.3 Influence of UFS ratio on SCM time-dependent viscosity

2.3 特細砂替代率對靜態(tài)屈服應(yīng)力的影響

特細砂不同替代率下自密實砂漿屈服應(yīng)力隨時間的變化如圖4 所示，可知自密實砂漿屈服應(yīng)力隨著時間的增大逐漸增長，這是由水化反應(yīng)中初始凝膠的形成和砂漿基質(zhì)含水量的降低所導(dǎo)致的.

圖4 特細砂對自密實砂漿屈服應(yīng)力的影響Fig.4 Influence of UFS ratio on SCM yield stress

隨著特細砂替代率的增加，砂漿的屈服應(yīng)力也逐漸增大.當(dāng)替代率為30%～50%時，砂漿屈服應(yīng)力接近于對照組.根據(jù)王裕宜等［24］的觀點，漿體的屈服應(yīng)力受砂顆粒的粒徑和濃度影響，其屈服應(yīng)力隨沙顆粒濃度的增大而增大，隨砂顆粒粒徑的增大而減小，反之亦然，漿體的屈服應(yīng)力受制于此兩種因素，互相影響.因此在實驗中，隨著特細砂替代率逐漸提高，相當(dāng)于更細粒徑的顆粒越來越多，漿體屈服應(yīng)力也就隨顆粒粒徑的減小而增大.此外，在實驗保證砂總重量不變的同時，由于特細砂密度大于標準砂，實驗組砂的體積分數(shù)也就小于對照組，因此實驗組屈服應(yīng)力基本上也均小于對照組.

2.4 特細砂替代率對變轉(zhuǎn)速下黏度的影響

圖5 為變轉(zhuǎn)速下特細砂替代率對自密實砂漿黏度的影響.各替代率下的特細砂砂漿，在低轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)為明顯的粘滯特性，高轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)為明顯的流動特性.根據(jù)Brookfield 流變儀指導(dǎo)手冊“IPA·S paste法”，對各替代率下表觀黏度η/（Pa·s）和轉(zhuǎn)動速度/（r·min-1）用式（2）進行擬合，得到此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的觸變方程：

式中：n代表剪切敏感度（無量綱）；K代表稠度指數(shù)（單位為Pa·s）.

將圖5 中各替代率的表觀塑性黏度和轉(zhuǎn)速按公式（2）擬合后得到各替代率下的n和K，n和K與特細砂替代率的關(guān)系如圖6 所示.由圖6 可知，隨著特細砂替代率的增加，n呈線性增長，由0.66（0%）增長至1.18（50%），表明隨著特細砂含量的增加，特細砂替代率的增長對n的變化速度無顯著影響.此外，特細砂替代率由0%增長至20%時，K值逐漸增大，自密實砂漿稠度增大；在10%～30%替代率內(nèi)，K值增長緩慢，砂漿稠度幾乎不變；而替代率由30%增長至50%時，K值由17 980 Pa·s 迅速增大至43 770 Pa·s，說明大于30%的特細砂替代率對漿體稠度指數(shù)K有著顯著影響，砂漿相對變稠.

圖5 變轉(zhuǎn)速下特細砂替代率對自密實砂漿黏度的影響Fig.5 Influence of UFS ratio on SCM R/MIN-dependent viscosity

圖6 各替代率下觸變方程的系數(shù)Fig.6 Coefficients of thixotropy equation at each UFS replacement ratio

2.5 特細砂替代率對剪切變稀指數(shù)的影響

將經(jīng)時黏度代入公式（1）可得剪切變稀指數(shù)TI，即為低轉(zhuǎn)速下與高轉(zhuǎn)速下兩個表觀黏度的比值，并以其表征漿體觸變性的大小，結(jié)果見圖7.漿體在轉(zhuǎn)動速度增高時，絮凝顆粒間的弱作用力被打破；在轉(zhuǎn)動速度降低時，絮凝顆粒間的弱作用力再次形成［29］，表現(xiàn)為漿體受剪時黏度變小，停止剪切時黏度又恢復(fù)，該可逆現(xiàn)象為觸變性，反映了漿體在剪切作用下結(jié)構(gòu)破壞后恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)的能力大小.實驗中隨著轉(zhuǎn)速增大，TI 越大，即觸變性增大，漿體黏度減小得越快，反之亦然.

圖7 特細砂對自密實砂漿剪切變稀指數(shù)的影響Fig.7 Influence of UFS ratio on SCM shear thinning index

當(dāng)特細砂替代率在0～30%時，TI平緩增長，盡管漿體觸變性逐漸增大，但砂漿仍然保持良好的工作性能；當(dāng)特細砂替代率超過30%后，TI 突然大幅增長，40%替代率下砂漿觸變性突增，表觀黏度減小更快；當(dāng)特細砂替代率達到50%時，TI 增長趨緩，砂漿觸變性變化再次趨緩，表觀黏度減小速度變慢，但此時特細砂的較高替代率使得砂漿失去最佳工作稠度.在剪切實驗后期（1 h 后）發(fā)生一定程度的泌水，預(yù)實驗中各組泌水約為2%.為保證自密實砂漿流變學(xué)性能穩(wěn)定，特細砂替代率不宜超過30%.在超過40%的替代率下，如有1 h 以上流動性需求，可再次提高威蘭膠等纖維素用量來減少泌水.

3 結(jié)論

1）使用特細砂替代中砂制備自密實砂漿時，一方面，特細砂的高吸水率使砂漿基體中自由水的含量降低，進而對流變性能產(chǎn)生消極影響；另一方面，特細砂的摻入改善了顆粒粒徑分布，填充了顆粒間的空隙，使得拌和時更多的自由水被釋放，會改善砂漿的流變性能.因此，替代率需平衡細骨料級配效應(yīng)和特細砂吸水率間的關(guān)系.

2）替代率在30%～40%范圍內(nèi)時，特細砂吸水率使砂漿流動性的降低大于特細砂補充間斷級配后帶來的砂漿流動性的增大，即特細砂吸水率對流動性能的降低作用占主導(dǎo)地位.從流動性能考慮，特細砂替代中砂制備自密實砂漿的替代率宜在20%以內(nèi).

3）特細砂的加入提高了自密實漿體的黏度，并且隨著特細砂替代率變大，自密實砂漿黏度依次增大.漿體的經(jīng)時黏度隨替代率增加呈緩慢增長的趨勢，并且隨著時間推移達到動態(tài)平衡，砂漿的屈服應(yīng)力也逐漸增大.當(dāng)替代率為30%～50%時，隨著替代率增高砂漿屈服應(yīng)力接近于對照組，但對剪切敏感度n的變化速度無顯著影響.大于30%的特細砂替代率對漿體稠度指數(shù)K有著顯著影響，此時K增長迅速，砂漿變稠.當(dāng)特細砂替代率由0%增大至50%，漿體觸變性也隨之逐漸增大.

4）通過1 h的經(jīng)時剪切實驗可知，為保證自密實砂漿流變學(xué)性能穩(wěn)定，特細砂替代率不宜超過30%.