水泥-白云石粉浆体流变性能研究

肖　佳，吴　婷，何彦琪，田承宇，徐　勇

(1.中南大学土木工程学院，长沙　410075；2.中国水利水电第八工程局有限公司科研设计院，长沙　410004)



水泥-白云石粉浆体流变性能研究

肖佳1，吴婷1，何彦琪1，田承宇2，徐勇2

(1.中南大学土木工程学院，长沙410075；2.中国水利水电第八工程局有限公司科研设计院，长沙410004)

试验采用旋转黏度计测定了水泥-白云石粉浆体剪切应力和塑性黏度随剪切速率变化的规律，对所测浆体τ-γ曲线采用Bingham流体模型进行拟合，得到浆体屈服应力和塑性黏度，采用Power Law流体模型拟合出浆体的流变指数，并用触变环面积表征浆体的触变性。研究结果表明：在0～30%掺量范围内，随白云石粉掺量的增大，水泥浆体的屈服应力、塑性黏度和触变性均逐渐增加；白云石粉细度对浆体屈服应力和塑性黏度影响较小。

流变性能， 白云石粉， 屈服应力， 塑性黏度

1　引　言

碳酸盐岩约占地球沉积地壳的15%，分布广泛且易于开采，其在建筑工业中用于水泥、石灰、骨料和建筑石材等，其衍生物可用作玻璃原料、耐火材料和填料等，碳酸盐岩在建筑业中的应用具有非常显著地经济和环境效益。自然界中纯的碳酸盐岩较少，多数以方解石、白云石和非碳酸盐类矿物共生的形式存在，有研究将此类矿物按其所含方解石、白云石和非碳酸盐成分的比例进行了分类，其中石灰石和白云石是碳酸盐岩的主要成分，白云石含量为50%～90%，称之为钙质白云石，超过90%称之为白云石[1,2]。在工程应用方面，我国对石灰石粉研究较广而白云石粉的研究则较少。白云石储量巨大，且其为石灰石的主要掺杂成分，因此研究白云石粉对水泥基材料性能的影响对拓宽碳酸盐岩在水泥基材料中的应用具有重要的现实意义。而研究其对水泥浆体流变性能的影响是白云石粉工程运用的首要步骤，通过测定水泥-白云石粉浆体塑性黏度、屈服应力、流变指数和触变性等流变参数的变化，可确定白云石粉的合理用量，指导水泥混凝土的配合比设计。研究[3]指出浆体屈服应力主要由颗粒群密度控制，其与颗粒群密度的关系可用一种渗流关系来描述，浆体塑性黏度与粒子密度、比表面积之间存在一种近似的线性关系。石粉的掺入使新拌浆体的屈服应力和塑性黏度降低，浆体的流变性能增强，且石粉细度越大增强效果越明显[4]。研究[5]认为较细的颗粒填充于水泥颗粒间，浆体中自由水增多，复合浆体形成良好级配，流变性能增强。另有研究[6]表明，石粉掺入使浆体剪切变稀的效果降低，即石粉降低了水泥浆体的流变性能，因石粉的填充、颗粒形貌和体积效应为主要因素，较细的石粉颗粒填充于水泥颗粒之间，颗粒之间的距离减小，附着力和摩擦阻力增大，使得屈服应力，塑性黏度变大；另有观点[7,8]认为，填充效应是次要因素，主要因素是细粉颗粒表面的物理化学性能，其中ζ电位对浆体流变性能具有一定的影响。本文通过水泥-白云石粉浆体的屈服应力、塑性黏度和触变环面积等，研究了白云石粉掺量及细度对于水泥浆体流变性能的影响，以期为白云石粉在工程中的运用提供一定的理论基础。

2　试　验

2.1原材料

水泥采用长沙坪塘水泥厂生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，密度为3.10 g/cm3，其物理性能和化学组成如表1、表2所示。白云石粉产自河北省灵寿县，密度2.73 g/cm3，勃氏比表面积分别为409 m2/kg、610 m2/kg和812 m2/kg。其矿物组成如表3所示。

表1　水泥的物理性能

表2　水泥的化学成分

表3　白云石粉的矿物组成

2.2试验方法

流变特性采用由奥地利Anton Paar公司生产的RHEORIAB QC型旋转黏度计测定。在室温、相对湿度为70%的条件下，配制水泥净浆，试验配合比如表4所示。

表4　水泥-白云石粉净浆试验配合比

采用旋转黏度计测定新拌浆体在各剪切速率下的剪切应力和剪切黏度，得到τ-γ和η-γ曲线。新拌水泥-大理石粉浆体处于悬浮状态，颗粒间主要以范德华分子引力形成强度较小的凝聚结构，打破这种结构需要一定的外力作用，因此水泥-大理石粉浆体存在一定的屈服应力τ0，且其剪切应力随剪切速率增大基本呈线性增大趋势，故新拌水泥浆体的流变性可用 Bingham流体模型τ =τ0+ηγ线性拟合，即可得到浆体屈服应力τ0和塑性黏度η。同时采用Power Law流体模型描述[9]τ-γ曲线，用方程τ = Kγn对τ-γ曲线拟合，即可得到黏度系数K和流变指数n，其中n表征浆体剪切稀化(或稠化)的程度。当n>1时，流体为胀流型流体，即流体在剪切过程中发生了剪切增稠，当n<1时，流体为假塑型流体，即流体在剪切过程中发生了剪切变稀。旋转黏度计剪切速率由0增大到 200 s-1，然后又由200 s-1降为0过程中形成的封闭的τ-γ曲线，称之为触变环，其面积越大浆体触变性越大，反之亦然。

3　结果与讨论

3.1水泥-白云石粉浆体的流变模型

水泥-白云石粉浆体τ-γ曲线如图1、图2所示。相同剪切速率下，水泥-白云石粉浆体的剪切应力随白云石粉掺量的增加逐渐增大；随白云石粉细度的增大先略有降低后持平。水泥-白云石粉浆体的剪切应力随着剪切速率的增大而增大，二者基本呈线性关系，其仍属Bingham流体模型，拟合得到流变参数如表5所示，其浆体黏度系数K随白云石粉掺量的增大逐渐增大，流变指数n均小于1，变化较小，表明黏度随剪切速率增大而降低，流体为假塑型流体，由于流变指数变化不大，剪切变稀的程度相近。

图1　白云石粉掺量对水泥浆体γ-τ曲线的影响Fig.1　Effect of the content of ground dolomite on γ-τ of the cement past

图2　白云石粉细度对水泥浆体γ-τ曲线的影响Fig.2　Effect of the fineness of ground dolomite on γ-τ of the cement past

Sampleτ0/Paη/(Pa·s)CorrelativecoefficientK/Pa·snCorrelativecoefficientP030.300.250.98811.040.360.975PDI-531.830.260.98712.330.350.969PDI-1033.520.280.99212.790.360.966PDI-2039.810.330.98914.560.360.972PDI-3043.330.400.99115.910.380.970PDII-1033.750.270.99112.530.360.968PDIII-1034.140.270.99112.870.350968

水泥-白云石粉浆体τ-η曲线如图3、图4所示。随着剪切速率的提高，水泥-白云石粉浆体的黏度均呈现先显著降低后逐渐稳定的规律，因此其为假塑性流体。剪切速率在0～65 s-1时，剪切黏度显著降低，在65～200 s-1时，剪切黏度趋于平稳。在相同剪切速率下，水泥-白云石粉浆体的剪切黏度随着石粉掺量的增加而增加；随着白云石粉细度的增加，水泥-白云石粉浆体的黏度先下降后平稳，当石粉比表面积分别为610和812 m2/kg时，其黏度大致相等

图3　白云石粉掺量对水泥浆体γ-η曲线的影响Fig.3　Effect of the content of ground dolomite on γ-η of the cement pastes

图4　白云石粉细度对水泥浆体γ-η曲线的影响Fig.4　Effect of the fineness of ground dolomite on γ-η of the cement pastes

3.2白云石粉对水泥浆体屈服应力、塑性黏度和流变指数的影响

图5　白云石粉掺量对水泥浆体屈服应力的影响Fig.5　Effect of the content of ground dolomite on yielding stress of the cement pastes

图6　白云石粉细度对水泥浆体屈服应力的影响Fig.6　Effect of the fineness of ground dolomite on yielding stress of the cement pastes

图5和图6所示为白云石粉对水泥浆体屈服应力的影响规律。水泥-白云石粉浆体的屈服应力随着白云石粉掺量的增加逐渐增大，白云石粉掺量为5%、10%、20%、30%时，分别比不掺白云石粉浆体的屈服应力增大了8.3%、13.1%，16.9%、26.4%，近似呈线性增大的趋势，屈服应力τ和白云石粉掺量q和二者的拟合关系为τ=30.14+0.45q。随白云石粉细度的增大，水泥-白云石粉浆体屈服应力基本不变，白云石粉细度对水泥浆体屈服应力的影响较小。

图5和图6所示为白云石粉对水泥浆体屈服应力的影响规律。水泥-白云石粉浆体的屈服应力随着白云石粉掺量的增加逐渐增大，白云石粉掺量为5%、10%、20%、30%时，分别比不掺白云石粉浆体的屈服应力增大了8.3%、13.1%，16.9%、26.4%，近似呈线性增大的趋势，屈服应力τ和白云石粉掺量q和二者的拟合关系为τ=30.14+0.45q。随白云石粉细度的增大，水泥-白云石粉浆体屈服应力基本不变，白云石粉细度对水泥浆体屈服应力的影响较小。

图7和图8所示为白云石粉对水泥浆体屈服应力的影响规律。水泥-白云石粉浆体的塑性黏度随白云石粉掺量的增加近似呈线性增大的趋势，塑性黏度η和白云石粉掺量q和二者的线性拟合关系为η=0.241+0.049q。随白云石粉细度的增大，水泥-白云石粉浆体塑性黏度基本不变，白云石粉细度对水泥浆体塑性黏度的影响较小。

图7　白云石粉掺量对水泥浆体塑性黏度的影响Fig.7　Effect of the content of ground dolomite on plastic viscosity of the cement pastes

图8　白云石粉细度对水泥浆体塑性黏度的影响Fig.8　Effect of the fineness of ground dolomite on plastic viscosity of the cement pastes

3.3白云石粉对水泥浆体触变性的影响

触变性是指流体在外力作用下，流动性暂时增加，去除外力后，缓慢复原的可逆性能。由图9知，随着白云石粉掺量的增加，水泥-白云石粉浆体的触变环面积逐渐增大，触变性逐渐增强。

图9　水泥-白云石粉浆体的触变性Fig.9　The thixotropy of the cement-ground dolomite pastes

3.4机理分析

矿物掺合料对水泥浆体流变性能的影响在于其浆体粒子间相互作用力的改变，即运动粒子间摩擦力的变化，比表面积较大的粉体由于其表面能较大，吸附水的能力增强，加之润湿需水量增大，浆体屈服应力和塑性黏度增大[7]。由于水泥与白云石粉DI的细度接近，掺入DI不会较大改变水泥浆体颗粒分布，因此填充效应较弱，颗粒间距离变化较小，由此对浆体流变特性的影响可忽略。掺入白云石粉DI使浆体屈服应力和塑性黏度增大的主要原因是白云石粉的体积效应，同质量下石粉的体积比水泥的大12%，因此等质量替代水泥使得浆体需水量显著增大，自由水的减少导致运动粒子间摩擦力增大，屈服应力和塑性黏度随之增大。随白云石粉细度增大，除体积效应外填充效应的影响逐渐增大。

研究[9,10]显示所掺矿物掺合料颗粒表面性能同样是影响浆体流变性能的重要因素，胶体粒子间的斥力与ζ2成正比，粒子间的斥力f=ζ2/K(1/K为扩散层厚度)，作为岩石粉磨而成的白云石粉ζ电位低于水泥，因此白云石粉颗粒间的斥力作用小于水泥颗粒间的斥力，白云石粉颗粒间或与水泥颗粒间更易形成黏聚结构，从而导致了屈服应力和塑性黏度的增大。

4　结　论

(1)在0～30%掺量范围内，水泥-白云石粉浆体屈服应力随白云石粉掺量的增加线性增大，屈服应力τ和掺量q之间的拟合关系为τ=30.14+0.45q，白云石粉对水泥浆体具有明显的增稠效应；

(2)在0～30%掺量范围内，水泥-白云石粉浆体的塑性黏度随其掺量的增加而线性增大，塑性黏度η和掺量q之间的拟合关系为η=0.241+0.049q，白云石粉使水泥浆体稳定性增强；

(3)水泥-白云石粉浆体黏度系数K随白云石粉掺量的增加逐渐增大，流变指数n变化较小且均小于1，浆体为假塑型流体，剪切变稀的程度相近，其触变性随白云石粉掺量增大而逐渐增大；

(4)白云石粉的细度对水泥-白云石粉浆体的屈服应力、塑性黏度和流变指数影响较小。

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Rheological Properties of Cement-ground Dolomite

XIAOJia1,WUTing1,HEYan-qi1,TIANCheng-yu2,XUYong2

(1.School of Civil Engineering, Central South University,Changsha 410075,China;2.Research and Design Institute of China Hydropower Engineering Bureau 8 Co.Ltd,Changsha 410004,China)

The law of shear stress and shear viscosity of cement-ground dolomite pastes with different shear rate with rotary viscosity meter were studied in this paper.Yield stress and plastic viscosity of the paste are obtained by by fitting the measured gamma tau slurry curve using Bingham fluid model. Rheological index are obtained using Power fluid model and thixotropy was expressed using thixotropic loop area.The results show that yield stress, plastic viscosity and thixotropy of pastes were gradually increased with the increase of ground dolomite in the range of 0-30%. The fineness of dolomite has little effect on the yield stress and plastic viscosity of the paste.

rheological property;ground dolomite;yielding stress;plastic viscosity

国家自然科学基金项目(51278497)

肖佳(1964-)，女，教授，博士.主要从事高性能混凝土、新型建筑材料方面的研究.

TQ172

A

1001-1625(2016)03-0891-06