蔗渣灰掺量对混凝土流变性能的影响研究

摘要：文章以蔗渣灰掺量为控制变量，测试不同蔗渣灰掺量下的混凝土静态屈服应力、黏度系数和坍落度，探究蔗渣灰混凝土的流变性能变化机理。结果表明：当蔗渣掺量＜9%时对混凝土静态屈服应力、黏度系数和坍落度的影响均较小，当蔗渣灰掺量＞9%时，混凝土的静态屈服应力、黏度系数急剧增大，而坍落度急剧减小，因此建议蔗渣灰掺量控制在＜9%；强度等级越高的混凝土流变性能对蔗渣灰掺量越敏感；静态屈服应力、黏度系数和坍落度之间存在较好的线性关系，实际工程中应根据混凝土的性能需求来控制蔗渣灰的掺量。

关键词：混凝土；蔗渣灰；流变性能

中图分类号：U414.1" " " "文献标识码：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.012

文章编号：1673-4874（2024）11-0037-03

引言

甘蔗渣是甘蔗在制糖过程中经压榨后留下的残渣，为了充分利用甘蔗的能量，目前大部分甘蔗渣在制糖过程中会被用作制糖的燃料，在该过程中会产生大量的蔗渣灰。直接排放蔗渣灰必然会对自然环境造成不可逆的影响。我国南方地区盛产甘蔗，制糖业发达，蔗渣灰存量较大，因此如何利用蔗渣灰是亟须解决的问题。

目前，国内外部分专家学者已开展了蔗渣灰在建筑材料中的应用研究。陈正等［1-2］研究了蔗渣灰的颗粒特性及掺量对砂浆性能的影响，结果表明：颗粒级配分布较好的蔗渣灰对提升砂浆的强度具有积极的作用，适当掺量的蔗渣灰也可提升砂浆强度。莫耀鸿等［3］研究了由矿粉和蔗渣灰组成的矿物掺和料掺量对海砂砂浆腐蚀行为的影响，结果表明：在矿粉和蔗渣灰掺量均为15%时，砂浆中钢筋的腐蚀速率大幅降低，对砂浆钢筋组合结构的耐久性有积极的影响。黄萍等［4-7］的研究表明：适宜剂量的蔗渣灰替代部分水泥可改善混凝土的空隙结构，提升混凝土的强度，改善混凝土的耐久性能。

综上所述，目前已有部分关于蔗渣灰对砂浆及混凝土力学性能和耐久性能的影响研究，然而关于蔗渣灰对混凝土流变性能的研究仍然较少。混凝土的流变性能影响混凝土拌和的难易程度，直接决定混凝土的施工工艺，影响硬化后混凝土的孔隙结构，最终对混凝土成型后的外观质量、力学性能和耐久性能造成影响，因此开展蔗渣灰混凝土流变性能研究非常有必要。

1试验

1.1原材料

水泥：P·Ⅰ 52.5级水泥，表观密度为3 125 kg/m3，比表面积为334 m2/kg，氯离子含量为0.013%，不溶物含量为0.90%，氯化镁含量为4.03%，烧失量为2.58%，三氧化硫含量为2.69%。水泥熟料的主要组成如表1所示。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率为28%，凝结时间差为135 min，泌水率比为21%，饱和掺量为1.0%。本研究中的掺量也控制为1.0%。

骨料：细骨料为河砂，细度模数为2.85，含泥量为0.28%；粗骨料母岩为石灰岩碎石，粒径为10～20 mm，针片状含量为4.0%。

蔗渣灰：由原始蔗渣灰经煅烧、浮选、研磨、筛分后得到，比表面积为512 m2/kg，其中SiO2含量为68.9%，Al2O3含量为13.4%，Fe2O3含量为8.4%，K2O含量为5.9%，CaO含量为3.3%。

1.2配合比设计

设计水胶比分别为0.49、0.39和0.35的三组混凝土，编号为A、B、C三组，三组混凝土的设计强度等级分别为C30、C40和C50，A、B、C三组混凝土蔗渣灰掺量均分别为0、3%、6%、9%、12%、15%和18%。配合比参数如下页表2所示。

1.3试验方法

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420-2020）对以上各组混凝土的坍落度进行测试，用ICAR流变仪对混凝土的静态屈服应力τ0和黏度系数μ进行测试，其中静态屈服应力τ0表示混凝土发生塑性流动时所需的最小应力，而黏度系数μ表示粘稠程度，相同剪切速率下，混凝土的黏度系数μ越大，混凝土的剪切应力越大［8］。测试不同剪切速率下的混凝土剪切应力，绘制剪切应力τ与剪切速率γ关系曲线，斜率即为混凝土的黏度系数μ。

如图1所示为不同蔗渣灰掺量下的混凝土静态屈服应力变化曲线。由图1可知，当蔗渣灰掺量＜9%时，蔗渣灰掺量对混凝土的静态屈服应力影响并不明显；当蔗渣灰掺量＜6%时，A、B、C三组混凝土的静态屈服应力随蔗渣灰掺量呈现小幅度降低的现象；当蔗渣灰掺量＞9%时，混凝土的屈服应力急剧增大，蔗渣灰掺量达18%时，A、B、C三组混凝土的静态屈服应力分别达到2 254Pa、2 140Pa、2 317Pa，此时混凝土流动性较差，外观质量较差，插捣密实时间较长。

静态屈服应力反映了混凝土克服塑性变形的能力，屈服应力由混凝土拌和物中固体颗粒之间的摩擦阻力和吸引力组成。当蔗渣灰掺量较低时，蔗渣灰与水泥颗粒组成的二元体系可以形成很好的嵌挤结构，蔗渣灰颗粒可以较好地填充水泥颗粒之间的空隙，形成很好的互补结构，此时原本用于填充这一部分空隙的水被释放出来，形成自由水，自由水的含量增加后，混凝土拌和物中的固体颗粒之间的距离也增大，固体颗粒直接接触产生摩擦阻力的几率变小，同时固体颗粒之间相互吸引的作用力也变小，因此低掺量的蔗渣灰对降低混凝土的屈服应力具有积极作用。除此之外，煅烧后的蔗渣灰经研磨后，呈颗粒状结构，此时蔗渣灰在水泥颗粒、细骨料之间发挥“滚珠作用”，降低混合料体系的内摩擦阻力，从而降低混凝土拌和物体系的屈服应力。

混凝土拌和完成后，所有固体颗粒表面均要吸附一定厚度的水膜，吸附水膜量和颗粒的比表面积相关。因蔗渣灰的比表面积为512 m2/kg，而水泥颗粒的比表面积为334 m2/kg，因此在混凝土拌和物体系中，相同质量下的蔗渣灰吸附的水膜质量高于水泥吸附的水膜质量，蔗渣灰对水膜的吸附作用会导致混凝土的静态屈服应力增大。除此之外，蔗渣灰内部存在部分碳，这些碳对减水剂具有吸附作用，能使混合料体系的有效减水剂含量降低，减水剂对水泥颗粒絮凝团具有分散作用，当蔗渣灰掺量较高时，蔗渣灰吸附的减水剂量较大，导致有效减水剂含量低于饱和掺量，水泥-蔗渣灰二元体系的絮凝团数量较多，因此蔗渣灰对减水剂的吸附作用也会导致混凝土的静态屈服应力增大。此时，蔗渣灰对水泥颗粒空隙的填充作用和对颗粒的“滚珠”作用对降低混凝土屈服应力具有积极作用；同时蔗渣灰对水膜和减水剂的吸附对降低混凝土屈服应力具有逆向作用，当蔗渣灰掺量＞9%时，蔗渣灰对水膜和减水剂的吸附作用相较于对固体颗粒的填充作用和“滚珠”作用更为显著。此时，混凝土的屈服应力随蔗渣灰掺量的增加呈现递增的规律。

如图2所示，当蔗渣灰掺量＜9%时，蔗渣灰掺量对混凝土对混凝土黏度系数的影响较小，A组混凝土的黏度系数维持在30～40Pa·s，B组混凝土的黏度系数＜25Pa·s，C组混凝土的黏度系数＜20Pa·s；当蔗渣灰＞9%时，混凝土的黏度系数随蔗渣灰掺量的增加呈现递增的规律；当蔗渣灰掺量达到18%时，A组、B组和C组混凝土的黏度系数均＞100Pa·s，此时混凝土粘稠程度较高，拌和较为困难。当蔗渣灰掺量＜18%，且A组、B组和C组混凝土的蔗渣灰掺量相同时，A组的黏度系数大于B组，B组的黏度系数大于C组。

混凝土的黏度系数和内部砂浆的黏度系数相关，砂浆的黏度和内部包含的水泥浆黏度相关，水泥浆的黏度由水泥颗粒之间的距离决定。蔗渣灰可以填充水泥颗粒之间的空隙，使原本用于填充这部分空隙的水被释放出来，释放出来的水增大了水泥颗粒之间的距离，对水泥颗粒具有润滑作用，可降低水泥浆的黏度系数；蔗渣灰对减水剂具有吸附作用，使水泥-蔗渣灰二元体系的絮凝团数量增多，絮凝团中包裹的水不能释放出来，水泥浆中的有效水量降低，固体颗粒之间的距离增大，因此蔗渣灰对减水剂的吸附作用会增大混凝土的黏度系数。

当蔗渣灰掺量＜9%时，蔗渣灰填充作用、对减水剂的吸附作用对黏度系数的影响相当，因此蔗渣灰掺量对混凝土黏度系数的影响不大。当蔗渣灰掺量＞9%时，蔗渣灰吸附减水剂对黏度系数的影响大于填充作用对黏度系数的影响，因此水泥浆的黏度系数增大，最终导致混凝土拌和物体系的黏度系数增大。

如图3所示，当蔗渣灰掺量＜9%时，混凝土的坍落度随蔗渣灰掺量增加呈现小幅度增加的趋势，当蔗渣灰掺量＞9%时，混凝土坍落度随蔗渣灰掺量增大急剧下降。不掺蔗渣灰时，A组、B组和C组混凝土的坍落度分别为178 mm、214 mm和255 mm；当蔗渣灰掺量达18%时，A组、B组和C组混凝土的坍落度分别为98 mm、86 mm和84 mm，此时A组、B组和C组混凝土相较于不掺蔗渣灰的混凝土坍落度分别降低50%、60%、67%，可见强度等级较高的混凝土流动性能对蔗渣灰掺量更为敏感。

A组和B组混凝土中，当蔗渣灰掺量＞12%时，混凝土拌和物的棍度等级为“中”，当蔗渣灰掺量＜12%时，混凝土拌和物的棍度等级为“上”；对于C组混凝土，当蔗渣灰掺量＞15%时，混凝土拌和物的棍度等级为“中”，当蔗渣灰掺量＜15%时，混凝土拌和物的棍度等级为“上”。

由图1～3的线形规律可知，混凝土的静态屈服应力和坍落度、黏度系数和坍落度之间存在相关关系，可对其进行线性拟合。

静态屈服应力和坍落度之间的拟合关系式如式（1）所示：

y=-9.8x+2 493（R2=0.91）（1）

黏度系数和坍落度之间的拟合关系式如式（2）所示：

y=-0.57x+154.3（R2=0.86）（2）

静态屈服应力和坍落度的相关系数R2=0.91，黏度系数和坍落度的相关系数R2=0.86，相关性均较高。见图4、图5。

混凝土的流变性能和施工性能密切相关，当混凝土的屈服应力和黏度适当时，混凝土展现出良好的流动性、可塑性、稳定性和易密性，此时的混凝土易于施工，可泵性较好，成型后外观质量较好。当混凝土的屈服应力和黏度系数较低时，混凝土易离析，当混凝土的屈服应力和黏度系数较高时，混凝土的施工性能很差，偏高和偏低均会导致混凝土成型后外观质量差，孔隙密布，力学性能和耐久性能受到威胁。因此蔗渣灰在混凝土工程中进行应用时，应根据混凝土的性能要求来控制蔗渣灰的掺量。

3结语

（1）当蔗渣掺量＜9%时，蔗渣灰掺量对混凝土的静态屈服应力、黏度系数和坍落度的影响均较小，当蔗渣灰掺量＞9%时，混凝土的静态屈服应力、黏度系数急剧增大，而坍落度急剧减小，建议蔗渣灰掺量在控制在＜9%。

（2）强度等级越高的混凝土流变性能对蔗渣灰掺量越敏感。

（3）静态屈服应力、黏度系数和坍落度之间存在较好的线性关系，实际工程中应根据混凝土的性能需求来控制蔗渣灰的掺量。

参考文献：

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作者简介：丘岳培（1991—），工程师，主要从事高速公路工程项目管理工作。

收稿日期：2024-05-16