复合粉体组成对浆料流动性影响的研究

程从密，方　乔，徐海军，欧阳伟

（1.广州大学土木工程学院，广东广州　510006；2.广州市建筑研究院有限公司，广东广州　510440）

复合粉体组成对浆料流动性影响的研究

程从密1，方乔1，徐海军2，欧阳伟1

（1.广州大学土木工程学院，广东广州510006；2.广州市建筑研究院有限公司，广东广州510440）

多种不同粒径的粉体复合对浆料流动度的影响较为复杂.文章研究了砂粉－基准水泥－超细水泥系统中各组份质量分数的变化对浆料流动度的影响，并通过浓度三角形分析砂粉－基准水泥－超细水泥系统浆料流动度的分布规律.研究表明，浓度三角形适合于分析三元系统中各组份质量分数变化对浆料流动度的影响规律.

粉体；颗粒级配；流动性；浓度三角形

复合水泥基粉体在生产实践中有广泛的应用，如水泥型人造石材、瓷砖胶、无机灌浆料、自流平砂浆等.粉体的颗粒级配对提高产品的工艺性能、物理力学性能和降低生产成本都有积极的意义［1－2］.

本文研究砂粉－基准水泥－超细水泥系统组份变化对浆料流动性的影响，并用浓度三角形分析三元系统组成与流动度关系.该研究方法对工业生产过程中三元系统配合比调整有很好的指导意义.

1　基本原理

通过完善颗粒级配提高拌合物流动性是工程常用方法［3］.对于颗粒形状较好、类型相近的颗粒体系，通过最紧密堆积理论计算可得出与实验结果基本相符的颗粒级配体系［4］.通过分析最紧密堆积对粉体粒径分布的要求和实际水泥粉体的粒径分布，可提出实现最紧密堆积的途径［5］.

无机粉体浆料的流变学模型接近于宾汉姆模型，可以将其看作宾汉姆体进行研究.其方程如公式1所示.

式中，

τ—浆料流动时所受剪切力；

τf—浆料的屈服应力；

η—塑性粘度；

dr/dt—浆料应变速率.

浆料流动时所受剪切力τ与浆料的屈服应力τf、塑性粘度η和浆料应变速率dr/dt有关.当剪应力τ大于屈服应力τf时浆料才能流动.低屈服应力τf和低塑性粘度η的浆料才具有较好的流动性.粘度是浆料流动过程中需克服的内摩擦阻力.粉体颗粒级配对其粘度的影响直接导致浆料流动度的变化.

混凝土和砂浆的颗粒级配对流动性的影响有较多研究［6－7］.颗粒较小的粉体浆料自重较轻，自重产生的剪切力小，因而其流动性具有与混凝土不同的特点.

研究三元系统时常用等边三角形来表示各组份的组成，该三角形又称为浓度三角形［8］.三角形的3个顶点表示3个纯组份的组成；三条边表示3个二元系统的组成；而三角形内的任意一点都表示含有3个组份的三元系统.三元系统的每一个组成都可以在浓度三角形中找到对应且唯一的点.

本文研究砂粉－基准水泥－超细水泥3种不同粒径的粉料复合对流动性的影响，并用浓度三角形对实验数据进行分析.

2　试验材料与方法

（1）砂粉，厦门艾思欧标准砂有限公司产的中国ISO标准砂经球磨机粉磨，比表面积210cm2· g－1.

（2）基准水泥，检验混凝土外加剂性能的专用水泥，是符合GB 8076－2008标准附录要求控制指标的P.I型硅酸盐水泥，比表面积3 890cm2·g－1.

（3）超细水泥，硅酸盐系列，比表面积≥7 000cm2·g－1，平均粒径约为5～10μm，广州番禺超特建材.

浆料流动度的测试按国家标准《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T 8077－2012规定的水泥净浆流动度试验进行.考虑到所用粉体颗粒小于普通硅酸盐水泥，实验时采用的用水量大于标准规定值.

3　复合粉体组成对浆料流动度的影响

为研究不同粒径粉体复合对浆料流动度的影响，采用了砂粉、基准水泥、超细水泥3种不同粒径的粉体复合进行浆料流动度试验.

表1　三元系统配合比及流动度Table 1　Themix and fluidity of ternary system

试验配合比及拌合物流动度如表1所示.1～ 12号试样为单一粉体和二元粉体系统，分别采用砂粉、基准水泥、超细水泥两两复合而成，并改变二元系统各组份的质量分数.13～21号试样是砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统，依次固定其中一种粉体质量分数为0.11，改变另外2种粉体质量分数比.22～27号试样也是砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统，依次固定其中一种粉体质量分数为0.28，并改变另外2种粉体质量分数比.28号样是浓度三角形重心位置，3种粉料质量比为1∶1∶1.

图1　二元系统浆料流动度Fig.1　The slurry fluidity of binary system

3.12种粉料复合对浆料流动度的影响

图1所示为二元系统细粉料质量分数与浆料流动性关系.

对于混凝土而言，在骨料相同的情况下，粒径越小，比表面积越大，包裹水泥浆越薄，颗粒相互作用数目增多，塑性粘度相应提高，流动性下降.但是，本实验的砂粉－基准水泥二元系统中，基准水泥质量分数越大，浆料流动度越大.这是因为粉体浆料自重小，在用水量较大的情况下，良好的颗粒级配和形状有益于流动性的提高.技术人员对自流平砂浆的研究也有类似结果［9－10］.

图1所示，砂粉－超细水泥二元系统中，超细水泥质量分数较小时（小于0.25），浆料流动度随超细水泥质量分数的增加略有提高.但随着超细水泥质量分数的增加，浆料流动度迅速下降.表明低质量分数的超细水泥对砂粉有一定的润滑作用，形成矿物减水效应，抵消了粉料比表面积增加对浆料流动度减少的影响.

基准水泥－超细水泥二元系统中，浆料流动度随着超细水泥质量分数的增加迅速下降.这是由于超细水泥与基准水泥粒径差别相对较小，超细水泥对基准水泥没有润滑作用.有研究表明二元充填微细胶凝材料的尺寸应在被填充材料颗粒尺寸的至1/10范围内［11］.

当超细水泥质量分数较大时，浆料流动度主要受超细水泥用量的影响，砂粉－超细水泥二元系统和基准水泥－超细水泥二元系统在超细水泥质量分数较大时表现出相近的流动度.

3.23种粉料复合对流动度的影响

图2所示为固定超细水泥质量分数时，基准水泥质量分数与浆料流动度的关系.

超细水泥质量分数为0，0.11，0.28时，浆料的流动性都随着基准水泥质量分数的增加而增加.随着超细水泥质量分数的增加，曲线略趋于平缓.这是因为超细水泥比表面积大，对流动度有较大影响，相应削弱了基准水泥的影响.

图2　固定超细水泥量的浆料流动度Fig.2　The fluidity of slurry with fixed superfine cement content

图3所示为固定砂粉质量分数时，超细水泥质量分数与浆料流动度的关系.

砂粉质量分数分别为0，0.11，0.28时，拌合物流动度都随超细水泥的质量分数增加而急剧下降.表明当粉料比表面积大幅增加时，浆料流动度显著下降.砂粉质量分数为0.11时的浆料流动度略大于砂粉质量分数为0和0.28时浆料的流动度.

图4所示为固定基准水泥质量分数时，超细水泥质量分数与浆料流动度的关系.

图3　固定砂粉量的浆料流动度Fig.3　The fluidity of slurry with fixed sand power content

基准水泥质量分数为0和0.11时，超细水泥质量分数的变化对拌合物流动度的影响相近.均表现为随着超细水泥质量分数的增加，浆料流动度先略微上升，再急剧下降.这是因为超细水泥和基准水泥总量不高时，对砂粉有润滑作用；随着超细水泥质量分数的增加，超细水泥对流动度的负作用显著加强.

当基准水泥质量分数为0.28时，超细水泥质量分数低，拌和物有较好的流动性.随着超细水泥质量分数增加，拌合物流动性急剧下降.

当超细水泥质量分数高于0.75时，砂粉－基准水泥－超细水泥系统其他两组份比例的变化对浆料流动性影响很小.即浆料流动性完全取决于超细水泥的质量分数.

图4　固定基准水泥量的浆料流动度Fig.4　The fluidity of slurry with fixed standard cement content

4　三元系统浆料流动度的分布规律

根据表1砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统配合比和流动度实验数据，结合上述三元系统组份变化对流动度影响规律的分析，绘制基于浓度三角形的砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统流动度分布图（图5）.

图5中，用浓度三角形表示砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统的组成.大三角形的3个顶点表示单一粉体，相应粉体的质量分数为1.3条边分别表示3个二元系统的组成，与边相对顶点的粉体质量分数为0.三角形内任意一点都表示含有砂粉－基准水泥－超细水泥的三元系统.图5中的2个小三角形各边分别表示对应顶点粉体质量分数为0.11和0.28的复合粉体.

图5中各编号点粉体组成与表1对应，括号内的数字是相应浆料的流动度.利用图2、图3、图4中二元组分变化与流动度关系曲线，用插值法找到组分不同但流动度相同的点，将流动度相同的点连起来，就形成砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统流动度分布图.分布图中同一曲线上各点组份不同，但流动度相同.

图5　三元系统流动度分布图Fig.5　The fluidity distribution of ternary system

图5所示三元系统流动度分布图可进一步得出复合粉体流动度分布规律.如根据1号点周边曲线特点，可看出当砂粉质量分数很大时，细粉料（基准水泥和超细水泥）质量分数的增加对浆料流动度影响不大.这是因为细粉料质量分数小时，不能充满砂粉间的空隙，因而对流动度影响不大.21号、22号点附近的阴影区构成一个流动度稳定点，砂粉－基准水泥－超细水泥系统的组成在此区域内变化时，浆料流动度变化不大.

本研究方法对指导工业生产过程中三元系统配合比调整有很好的指导意义.工业生产中可以根据图5所示三元系统流动度分布图，结合材料的物理力学性能、变形性能和成本等因素优选适用的配合比.

当然，影响浆料流动度的因素很多，特别是用水量.在不同用水量情况下，复合浆料组份变化会出现不同的规律.本研究的意义在于提供了一种特定条件下的研究方法服务于工业生产.

5　结　论

（1）砂粉－基准水泥二元系统中，基准水泥质量分数越大，浆料流动度越大.而砂粉－超细水泥二元系统和基准水泥－超细水泥二元系统正好相反，超细水泥质量分数越大，浆料流动度越小.

（2）由于超细水泥具有过高的比表面积，且与基准水泥粒径相差不够大，因而在砂粉－基准水泥－超细水泥系统中促使流动度快速下降.

（3）通过对流动度实验数据进行深入分析，在浓度三角形上绘制砂粉－基准水泥－超细水泥三元系统流动度分布图.基于浓度三角形的三元系统流动度分布图适合于分析三元系统中各组份质量分数变化对浆料流动度的影响规律.

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Study on the effect of com posite powder com position on the slurry fluidity

CHEN Cong-m i1，FANG Q iao1，XU Hai-jun2，OU Yang-wei1

（1.School of Civil Engineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Guangzhou Institute of Building Science Co.，LTD.510440，China）

The effect of powder composite particle sizes on paste fluidity is complicated.In this paper，the influence of the change of the mass fraction of each component in the sand-based cement and superfine cement system is studied，and the distribution law of the slurry fluidity of sand-base cement slurry system is analyzed by using the concentration triangle.The study shows that the concentration of the triangle can analyze the influence of the change of themass fraction of each component in the system of the three element system.

powder；grain composition；liquidity；composition triangle

1671-4229（2015）06-0050-05

TB 301

A

2015－10－20；

2015－10－30

广州市科委2015年产学研资助专项（156500058）；广州市科技创新平台资助项目（15180005）

程从密（1972－），男，副教授，博士.E-mail：1972.1congmi2008＠sina.com

【责任编辑：陈钢】