净浆搅拌转速对混凝土性能的影响

陈允禄,李玮健,冯伟风

(1.山东省公路桥梁建设集团有限公司,济南 250014;2.山东里海工程技术有限公司,济南 250002)

随着自密实混凝土的大规模应用和快速发展,这种高流动性的水泥基材料的施工性能受到广泛关注,基于改变剪切速率能够改善水泥基材料的剪切稀化和剪切稠化效应也成为研究的热点。研究表明,纯水泥浆表现为剪切稀化浆体[1,2],但掺入不同掺合料和外加剂的水泥基材料在不同剪切速率条件下表现出不同的剪切稠化和剪切稀化效应,对混凝土的施工性能和力学性能产生较大影响。谢友均等[3-5]通过研究不同剪切速率条件下粉煤灰、石灰石粉对水泥净浆剪切稠化和剪切稀化效应的影响,认为低掺量粉煤灰和石灰石粉能够显著降低浆体的临界剪切速率、临界剪切应力和最小粘度值,且粉煤灰对水泥浆的改善效果优于石灰石粉,但增大粉煤灰掺量(超过50%)可以使水泥浆体由剪切稀化转变为剪切变稠,也就是降低了水泥浆体由剪切变稀向剪切增稠转变的临界剪切速率,使浆体在较低的剪切速率下出现剪切增稠。冯恺雯等[6]通过研究不同剪切速率对石灰石粉-水泥浆体流变性能的影响,认为石灰石粉掺入后能够提高水泥浆体剪切稀化效应,但增大石灰石粉的掺量或比表面积则能够降低其稀化程度。黄海等[7]研究硅粉、矿粉、减水剂等对水泥净浆和砂浆剪切稀化和稠化效应的影响,结果表明硅粉掺入后能够提高水泥净浆的剪切稀化效应,同时提高浆体粘度和屈服应力;矿粉掺入后虽然对水泥净浆剪切稀化效应影响不大,但是降低了其触变性能;减水剂掺入后能够在低掺量条件下提高水泥净浆剪切稀化效应,但提高掺量后,随着剪切速率的提升会导致浆体逐渐稠化。上述研究为净浆搅拌工艺的改善和优化提供了有价值的数据支撑,尤其是在制备混凝土的净浆裹石搅拌工艺中,净浆的剪切稀化和剪切稠化效应会影响其流动性并进一步影响净浆对骨料的包裹性以及其与骨料的粘接性能,进而影响混凝土拌和物性能和力学性能。目前,尚无这方面的相关研究。基于此,在现有对水泥浆体剪切稀化与剪切稠化研究理论的基础上,研究净浆裹石工艺中不同搅拌转速条件下制备的净浆对混凝土拌和物性能和力学性能的影响。

1 试 验

1.1 原材料

水泥采用山水集团生产的PO42.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰为市售Ⅱ级粉煤灰,矿粉为市售S95级矿粉,外加剂为市售聚羧酸高性能减水剂(简称PCE),减水率为28.9%。胶凝材料化学组成如表1所示,水泥的性能指标如表2所示。

表1 胶凝材料化学成分 /%

表2 水泥性能指标

1.2 混凝土配合比

混凝土配合比如表3所示。

表3 混凝土试验基准配合比 /(kg·m-3)

1.3 搅拌工艺

混凝土制备时在表3的基础上,采用净浆裹石分步搅拌工艺进行混凝土的制备。首先将水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料和混凝土总用水量90%的水、外加剂一起倒入自制单轴净浆搅拌设备以300 r/min的速度搅拌30 s,形成均匀混合净浆后,继续改变转速使其稳定后,以300 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min的转速继续搅拌2 min形成不同搅拌速度下制备的净浆。同时,将砂子和石子倒入混凝土搅拌设备,加入混凝土总用水量的10%的水对骨料进行充分润湿和表面清洗,直至表面无泥、无粉尘、有水润光泽。进一步将不同转速下的净浆停止搅拌,然后快速倒入混凝土搅拌设备进行混合搅拌,搅拌时间为60 s,形成混凝土拌和物。

1.4 试验方法

1)净浆黏度值

采用黏度计测定净浆在300 r/min、600 r/min、900 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min、1 800 r/min转速下的黏度值,精确至0.001 Pa·s。

2)混凝土坍落度、倒置坍落度筒排空时间及压力泌水率

混凝土按表3的配合比,并采用上述净浆裹石搅拌工艺进行制备,形成拌和物后,根据《普通混凝土拌合物性能方法试验标准》GB/T 50080—2016的相关规定测试混凝土的坍落度、倒置坍落度筒排空时间和压力泌水率,其中坍落度精确到1 mm,倒置坍落度筒排空时间精确到0.1 s,压力泌水率精确到0.1%。

3)混凝土力学性能

采用150 mm×150 mm×150 mm的试模制备试样,在标准养护条件下养护至7 d和28 d龄期,然后根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081—2019的相关规定测试混凝土的抗压强度,数值精确到0.1 MPa。

2 结果与讨论

混凝土性能指标如表4所示。

表4 拌和物性能指标

1)不同净浆搅拌速度对净浆黏度值的影响

图1所示为不同搅拌速度对净浆黏度值的影响。从图1中可以看出,随着搅拌速度的升高,净浆黏度值呈现出先下降后升高的趋势,其中在搅拌转速为1 200 r/min时,净浆黏度值达到最小值为0.208 Pa·s。但在转速增大到1 500 r/min时,其净浆黏度值为0.209 Pa·s,与转速为1 200 r/min时基本相同,可以判断在转速为1 200～1 500 r/min时,净浆均维持在较低黏度值。这说明在掺入粉煤灰、矿粉、外加剂等多种组分形成的复合水泥净浆表现出由剪切稀化转变为剪切稠化的特点,也证明基于剪切稀化效应可以实现对净浆黏度的降低。

2)不同净浆搅拌速度对混凝土拌和物性能的影响

图2～图4所示为不同净浆搅拌速度对混凝土坍落度、倒置坍落度筒排空时间和压力泌水率的影响。

从图2中可以看出,采用不同净浆搅拌速度制备的混凝土其坍落度呈现出先升高后降低的趋势。在净浆转速为1 200 r/min时,混凝土初始坍落度达到最大值为267 mm,在净浆转速为1 500 r/min时,混凝土初始坍落度为265 mm,可以看出两者测出的坍落度值相差不大。

从图3中可以看出,随着净浆搅拌速度的增大,混凝土倒置坍落度筒排空时间呈现出先下降后升高的趋势。净浆搅拌转速在1 200～1 500 r/min时,混凝土倒置坍落度筒排空时间最短,分别为6.8 s和6.9 s。比较图4可以看出,不同净浆搅拌速度对混凝土压力泌水率的影响规律与对其倒置坍落度筒排空时间的影响规律基本相同,净浆搅拌转速在1 200～1 500 r/min时,混凝土压力泌水率达到最小值,分别为20.1%和20.3%。

上述结果表明,对净浆进行不同转速的搅拌后,将其倒入骨料中,在低固定转速条件下形成混凝土拌和物时,净浆的搅拌速度影响混凝土的和易性。这主要是因为净浆在不同搅拌速度下的黏度不同。因此,采用不同黏度的浆体倒入骨料时,浆体在骨料孔隙中的流动速率以及对骨料的包裹厚度不同,从而影响了混凝土拌和物整体的和易性。当净浆搅拌转速维持在1 200 r/min时,此时形成的净浆黏度最小,将其倒入骨料中时能够快速地渗到骨料缝隙中,实现对骨料充分和均匀的包裹,进一步由于净浆倒入后,混凝土拌和物的转速较低,所以净浆会出现反向稠化现象,从而提高了净浆的黏度,使得骨料表面包裹的净浆厚度增加,降低了骨料之间的摩擦,提高其润滑性,从而表现出混凝土拌和物坍落度提高、倒置坍落度筒排空时间缩短。当净浆转速达到1 500 r/min时,净浆在高速搅拌条件下已经出现稠化现象,所以黏度有轻微的升高,但也相对处于低值。但是当把浆体倒入骨料中时,由于反向稠化作用,其黏度先降低后升高,同样实现了对骨料的充分均匀包裹,从而改善了其和易性。但是净浆在转速较低或较高时,净浆黏度较大,对混凝土骨料的包裹均匀性相对较差,所以使得其拌和物和易性相对较差。

3)不同净浆搅拌速度对混凝土抗压强度的影响

图5所示为不同净浆搅拌速度对混凝土抗压强度的影响。从图5中可以看出,随着净浆搅拌速度的升高,混凝土7 d和28 d抗压强度均呈现出先升高后降低的发展趋势。其中,混凝土7 d抗压强度在净浆搅拌转速为1 200 r/min时达到最大值为45.6 MPa,与净浆搅拌转速为1 500 r/min时混凝土的7 d抗压强度45.4 MPa相差并不大;混凝土28 d抗压强度在净浆搅拌转速为1 500 r/min时达到最大值为52.8 MPa,与净浆搅拌转速为1 200 r/min时混凝土28 d抗压强度52.7 MPa没有差异。因此可以说明,净浆搅拌转速控制在1 200～1 500 r/min时,混凝土的力学性能处于最大值区间。进一步比较不同净浆搅拌速度对净浆黏度和混凝土抗压强度可以看出,随着净浆黏度的降低,混凝土的抗压强度逐渐升高,在净浆黏度最低时,混凝土的抗压强度达到最大值。这说明净浆黏度降低使净浆和骨料之间混合的更加均匀,能改善浆体对骨料的包裹性,从而提高混凝土的力学性能。

3 结 论

净浆裹石工艺对改善混凝土拌和物性能和力学性能具有一定效果。净浆的剪切稀化效应有利于混凝土拌和物性能的改善,进一步改善其硬化性能。

a.随着净浆搅拌转速的升高,净浆黏度先降低后升高。当净浆的搅拌转速控制在1 200～1 500 r/min时,净浆黏度处于最低值。

b.随着净浆搅拌转速的升高,混凝土拌和物坍落度先升高后降低,倒置坍落度筒排空时间先降低后升高,压力泌水率先降低后升高,7 d和28 d抗压强度先升高后降低。净浆的搅拌转速控制在1 200～1 500 r/min时,净浆黏度处于最小范围,混凝土拌和物性能和力学性能最佳。