超细沸石粉对水泥净浆结构构筑的影响

刘耀强

摘   要：超细沸石粉是经过天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的细度，火山灰活性高于粉煤灰和矿粉，低于硅灰和偏高岭土。静态屈服应力是水泥基材料一个重要的流变参数。静态屈服应力增长速率经常被用来表征水泥基材料的触变性/结构构筑，对水泥基材料的稳定性、形状保持能力和分层浇注非常重要。在本文静态屈服应力每15min测试一次，持续127min。同时进行了动态屈服应力测试。结果表明掺入超细沸石粉提高了浆体的动态屈服应力、塑性粘度和触变环面积。在等掺量的情况下，超细沸石粉提升结构构筑的能力低于硅灰和偏高岭土。

关键词：超细沸石粉  结构构筑  水泥

中图分类号：TU528.01                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0016-04

Abstract： Superfine zeolite is obtained by grinding natural zeolite， which has higher fineness than cement. The pozzolanic activity of superfine zeolite is higher than that of fly ash and slag， lower than that of silica fume and metakaolin. Static yield stress is an important rheological parameter of cement-based materials. The growth of static yield stress is often used to characterize the structural build-up/thixotropy of cement-based materials， which is crucial for the stability， shape-holding capacity and multi-layer casting. In this paper， static yield stress was measured every 15 min over 127 min. At the same time， dynamic yield stress test was measured. Results showed that the addition of superfine zeolite increases the dynamic yield stress， plastic viscosity and thixotropic area of paste. Under the condition of equal dosage， the ability of superfine zeolite to enhance the structure build up is lower than that of silica fume and metakaolin.

Key Words：Superfine zeolite; Structural build up; Cement

沸石是一种铝硅酸盐矿物，含有高含量的二氧化硅，这为作为混凝土胶凝材料提供可能性。它可以通过采矿[1]或工业废料通过化学合成[2]获得。将沸石粉作为矿物掺和料，部分取代水泥可以减少水泥消耗，降低碳排放量。同时沸石的莫氏硬度一般在2-3[3-4]，而粒化高炉渣的莫氏硬度一般在6-7[5]。因此，使用沸石作为粘结剂可以大大节约能源和成本[6]。

超细沸石粉是经过天然沸石研磨而得，比水泥具有更高的细度，火山灰活性高于粉煤灰和矿粉，低于硅灰和偏高岭土，但是磨碎沸石可以成为比硅灰或偏高岭土更经济、更环保的替代品[6]。Ahari[7]等人从形貌和水化比较了硅灰和偏高岭土对流变的影响。Baldino[8]等人研究表明人工沸石粉提高结构构筑能力优于石灰石粉，最优掺量为10%。结构构筑是由于新拌浆体的“强度”由于物理或化学作用，随时间逐渐增长的现象。由于混凝土成分的密度差异，静置状态下的新拌混凝土容易发生离析，在重力作用下容易发生流动和变形。较高的结构构筑速率有利于混凝土的稳定性和塑形能力。当新拌混凝土静置时，由于胶体絮凝和水泥水化作用，颗粒之间会发生相互作用，从而形成結构构筑。因此，水泥浆体可以包裹骨料抵抗重力，防止发生偏析的，从而提高混凝土的形状保持能力。结构构筑对混凝土的稳定性，滑模摊铺施工，分层浇筑和3D打印混凝土极为重要[9-16]。故本文对比了超细沸石粉、硅灰和偏高岭土对水泥净浆流变性能的影响，探究超细沸石粉对水泥净浆结构构筑的影响，对比其与硅灰和偏高岭土之间的差异。

1  原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥（PC）采用P·O 42.5安徽海螺水泥;超细沸石粉（Superfine zeolite-SFZ 由宁波嘉和新材料有限公司提供，平均粒径3μm。偏高岭土（MK）采用内蒙古超牌科技有限公司提供的K-1300型偏高岭土，活性指数为120，平均粒径1μm。硅灰（SF）由山东博肯硅材料有限公司提供，活性指数为115，平均粒径0.15μm。超细沸石粉、水泥、偏高岭土和硅灰物理和化学参数见表1。水为咸阳市饮用自来水。

1.2 制备

考虑不同矿物掺合料对减水剂吸附程度的影响，本实验不加入减水剂，采用水胶比0.5，净浆试验配比见表2。使用NJ-106A型水泥净浆搅拌机搅拌。搅拌方式为：慢搅30s，停30s（刮下锅内壁和叶片上的粉体），快搅90s，最后慢搅30s结束。试验温度保持在25℃。

1.3 流变性能测试-动态测试

采用德国Anton Paar 公司生产的RHEOPLUS QC 型同轴圆筒流变仪测定水泥浆体流变曲线。试样筒容积为163mL，高为118mm。（同轴圆柱转子）转子型号为CC39，直径为4cm，试样筒内径为4.194cm。从水泥与水接触计时开始，6min开始测试。以100s-1恒定速率预剪切60s，停15s，再以0-100s-1线性增长剪切速率剪切60s，达到100s-1剪切速率时，恒速剪切15s，最后100-0s-1线性下降剪切60s。

1.4 静态测试

静态测试从15min开始，以0.01s-1剪切速率持续剪切60s，然后静置900s。重复第一步的剪切步骤，直至127min结束。由于流变仪剪切应力极限为450Pa，当测试过程中，应力达到极限值时，终止测试。

2  结果与讨论

2.1 动态测试

动态测试示意图如图1所示。采用宾汉姆模型拟合20s-1-80s-1区间下行段数据，上行段与下行段之间的面积称为触变环。动态屈服应力、塑性粘度和触变环面积结果见表3。由表可以看出，掺入超细沸石粉、硅灰和偏高岭土均提高了浆体的动态屈服应力和塑性粘度[7]，等掺量的情况下，掺入超细沸石粉，增长幅度小于硅灰和偏高岭土。当超细沸石粉掺量为硅灰和偏高岭土的二倍时，动态屈服应力和塑性粘度高于硅灰和偏高岭土。从触变环的面积变化来看，硅灰最为明显，偏高岭土和超细沸石粉次之。同时也说明超细沸石粉也具有提高触变性的能力，这也与文献[8]结论相符。

2.2 静态测试

静态测试图像如图2。由于剪切应力极限值为450Pa，当掺入一定量超细沸石粉、硅灰和偏高岭土时，存在静态测试未到127min，测试即终止，测试次数小于8，各种配合比浆体的测试有效次数见表格4。随着浆体静置时间越长，静态屈服应力越大，达到峰值所需时间也越久，这表明浆体流动之前，静置时间越久，变形越大。

不同配比水泥净浆静态屈服应力增长曲线如图3。可以看出超细沸石粉、硅灰和偏高岭土对静态屈服应力影响程度是不同的。静态屈服应力增长速率对应于结构构筑速率[9]。表4给出了不同配比的增长速率。其中在相同掺量的情况下，硅灰和偏高岭土结构构筑速率大于超细沸石粉，当超细沸石粉掺量10%时，结构构筑速率均高于掺量为5%的硅灰和偏高岭土。在跟试验中得到的静态屈服应力增长速率与Billberg[10]的試验结果相似。同时可以看出，在静态屈服应力测试前1h内，应力图像增长接近线性增长方式。在1～2.5h内，增长曲线解决指数型增长模式。这说明在前期，水化反应较慢，水化反应诱导期还未结束，静态屈服应力增长缓慢，接近线性增长。当水化反应变快的时候，静态屈服应力增长也随之加快。

2.3 讨论

表5列出了结构构筑速率和触变环面积，并以对照组为参考值进行量化。可以看出掺入超细沸石粉、偏高岭土和硅灰均提高了结构构筑速率和触变环面积，这充分说明超细沸石粉可以提高水泥净浆的触变性，其性能低于偏高岭土和硅灰，这可能由于超细沸石粉细度较大，火山灰活性较低的原因。这也说明，将天然沸石粉磨细，可以替代部分水泥，成为矿物掺合料，提高水泥浆体的触变性，这也为沸石粉的用途，增加沸石粉的用量，减少环境污染和降低碳排量提供了更大的可能性。同时可以看出，随着粉体材料取代比例的提高，触变环的增长幅度大于结构构筑速率。在低剪切速率剪切下，浆体破坏程度较小，通过对静态屈服应力的测试，更加能反应浆体的构筑速率[9]。

3  结语

（1）掺入超细沸石粉提高了水泥浆体的动态屈服应力、塑性粘度和触变环面积，且随着掺量的提高，增长幅度越大。在相同掺量的情况下，提高程度低于硅灰和偏高岭土;

（2）掺入超细沸石粉提高了水泥浆体的结构构筑速率，增大了水泥浆体的触变性，随着掺量的提高，提升水泥浆体的触变性能更加明显。

参考文献

[1] Tagnithamou A ， Bengougam A . The Use of Glass Powder as Supplementary Cementitious Material[J]. Cement and Concrete Composites， 2010， 32（2）：134-141.

[2] Vai?iukynien? D， Kantautas A， Vaitkevi?ius V， et al. Effects of ultrasonic treatment on zeolite NaA synthesized from by-product silica[J]. Ultrasonics Sonochemistry， 2015（27）：515-521.

[3] L.B. Sand， F.A. Mumpton （Eds.）， Natural Zeolites： Occurrence， Properties， and Use， Proceedings of Zeolite Conference， Tucson， Arizona， USA， Pergamon Press， New York， USA， 1976.

[4] Nagrockiene D， Girskas G. Research into the properties of concrete modified with natural zeolite addition[J]. Construction and Building Materials， 2016（113）：964-969.