高炉矿渣对砂浆流变参数影响的试验研究及机理分析

2023-07-26邢晓飞苏彩丽

科学技术与工程 2023年19期

邢晓飞, 苏彩丽

(1.开封大学土木建筑工程学院, 开封 475004; 2.开封市建筑固体废弃物再生利用技术重点实验室, 开封 475004;3.开封市海绵城市工程材料技术研究中心, 开封 475004; 4.开封市建筑固体废弃物再生利用技术重点实验室, 开封 475004;5.开封市固体废渣资源化与无害化工程技术研究中心, 开封 475004)

2022年,长沙某小区室内混凝土掉落,楼房变身“千眼”墙,鉴定结果显示,钢渣导致混凝土中水泥未完全水化是该工程事故的主要原因,因此,将工业废渣(粉煤灰、矿渣、钢渣等)应用于建筑工程中,需要对其使用性能和掺量进行深入研究,才能避免类似事故的出现。

高炉矿渣是冶炼生铁时从高炉中排出的一种废渣,是一种易熔混合物。高炉矿渣作为矿物掺合料对砂浆流变参数的影响是材料学的主要研究方法之一[1]。砂浆的稠度和流动度是砂浆工作性能的两个方面,普通砂浆的稠度较小时,它的流动性较差。砂浆的流变性能主要指标为初始剪切力和黏度系数[2-3]。对砂浆流变参数的研究有多种实验方法,但随着新型建筑材料和水泥制品外加剂的发展,传统的试验方法产生了一定的局限性,尤其是大流动度砂浆出现后,传统的试验方法已不能很好地反映砂浆的流变性能,因此,研究一种更好的适用于高炉矿渣的砂浆流变参数分析方法具有重要的意义。

中国一些学者也对此展开了研究,如汪玺玥[4]采用软固体测试流变仪等设备对砂浆流变性进行研究,认为高炉矿渣可以有效改善砂浆流变性,并随着高炉矿渣掺量的增加,砂浆屈服应力和塑性黏度不断减小,砂浆流变性能越好。曾云辉[5]利用旋转流变仪对混凝土的流变性进行研究,结果显示:矿渣随着混凝土中碱含量的增加,电离出来的阳性离子较多,造成浆体中凝絮状结构增加,混凝土流变性会随着降低。王恒等[6]利用博勒飞RST-SST型流变仪对砂浆的流变性和黏聚力进行研究,结果显示:在较小水胶比情况下,磨细矿渣具有更大的比表面积,在水泥浆中会形成絮状结构,增加了浆体的内摩擦力,增大了水泥浆屈服应力,降低砂浆的流变性,但会小幅度提高砂浆黏聚力。张倩倩等[7]利用平行板流变仪、同轴旋转流变仪等设备对浆体的流动性进行研究,结果表明:矿渣等矿物掺合料会使砂浆的固体颗粒数量增大,颗粒浓度增加,其微集料效应所释放的水不足以润湿矿渣表面积,浆体流动性减小。

以上实验采用的流变仪成本相对较高,用流变仪需要砂浆处于稳定的流动状态,且不能直接得出砂浆的流变参数,需要采用转换方程进行进一步计算,计算过程相对复杂,计算结果精度不高。

在以上学者研究的基础上,设计一种新型简便的L形流变仪来测试砂浆的流变参数,将新拌矿渣水泥砂浆浆体认定为宾汉姆流体,结合力学数值分析,以确定矿渣对砂浆初始剪切力和黏度系数的影响,为砂浆在工程使用具有一定的指导意义。

1 试验准备和试验方法

1.1 试验材料

试验所用的水泥采用新乡市孟电水泥厂生产的P42.5 R普通硅酸盐水泥,水泥物理性能指标如表1所示,水泥、矿渣化学组成如表2所示;细集料采用开封当地产的中细砂,细度模数为2.41;水采用饮用自来水;高炉矿渣采用郑州市某材料公司的磨细矿渣,用振动球磨机磨细至比表面积为 5 736 cm2/g。

表1 水泥物理性能指标

表2 水泥、矿渣化学组成

水胶比是指浆体中水与胶凝材料的质量比,水胶比是砂浆的流变性能的直接影响因素。文献[8-10]显示,水胶比多采用0.45～0.55,矿渣或者矿物掺合料双掺以10%～60%等量取代水泥进行砂浆流动性试验性能最佳。通过对不同高炉矿渣掺量、不同水胶比下的材料进行试验砂浆的制作,并进行统一编号。试验用砂浆配比如表3所示。

表3 试验用砂浆配比

1.2 试验仪器

本试验采用的主要仪器为由内径2 cm透明玻璃管组成的L形装置,L形装置示意图如图1所示。该试验装置由竖直段和水平段两部分组成,竖直段高度为50 cm,水平段长度为150 cm。在两段之间的连接处设置阀门,在水平段下设置有两个可调节高度的支座(试验时借助水准尺检查其水平情况),以保证砂浆在水平段没有势差。其他仪器设备有电子天平、量筒、卷尺、秒表、滴管、刮刀等。

图1 L型装置示意图Fig.1 Schematic diagram of L-type device

1.3 试验步骤和方法

第一步:对试验仪器进行校正,保证横平竖直。

第二步:向L形管注入水将管壁进行润湿,将水排净后关闭阀门。

第三步:按所设计配合比称量所需材料,采用人工搅拌方式将水泥砂浆拌合均匀,然后缓慢倒入L形圆管竖直段玻璃管内,直到垂直段试管被装满为止。

第四步:迅速打开两段间的阀门,同时按下秒表,此时砂浆在重力作用下进入水平段,水头呈非均匀流动,试验中每5 s记录水头位置,直到水平段内水头位置变化不明显为止,并记录下垂直段的砂浆高度。

2 水泥砂浆流变参数计算

2.1 计算方法

砂浆的流变参数主要是初始剪切力和黏度系数,不同组分的砂浆具有不同的初始剪切力和黏度系数,砂浆所表现出的流变特性也会不同,在实际工程应用中砂浆工作性能也会表现不同。新拌水泥砂浆可以近似地看成宾汉姆体[11]。新拌砂浆的基本流变方程为

(1)

式(1)中:τ为剪切应力;τ0为初始剪切力;η为黏度系数;dv/dt为剪切速率。

宾汉姆体流变曲线如图2所示。由图2可知,τ<τ0时,砂浆将不会流动,只有τ>τ0时,砂浆才能表现出流体的性质。浆体内部各个组分间的摩擦力和附着力决定了剪切屈服应力τ0的大小,而剪切屈服应力τ0是能够保持浆体呈现出固体形态时的最大应力。塑性黏度系数η的大小表示砂浆内部结构对浆体流动的阻碍能力,该系数直接影响新拌砂浆流动速度的快慢[12]。

图2 宾汉姆体流变曲线Fig.2 Bingham rheologic curve

2.2 τ0值表征

在此试验中,在砂浆最终停止流动时,测量出L形管竖直段内剩余水泥砂浆的高度h0,h0大小由砂浆的τ0来决定的,二者关系为

h0=aτ0+b

(2)

式(2)中:h0为竖管残留高度,m;a、b为常数,只与试验条件有关。

本研究中,在试管形状、内径不变的情况下,可以用h0来表示参数τ0的大小。

2.3 η值的表征

根据质量守恒定律,流动前和流动后试管内砂浆的总量是不变的[13-14],放开阀门前砂浆总高度H等于流动过程中或者结束后竖直段砂浆高度h与水平段砂浆长度x的和,即

H=h+x

(3)

将式(1)、式(2)代入(3)可得

(4)

根据流体力学假定可知,速度在管壁处大小为0,试管中心处速度最大,由于试管直径较小,在管壁与管中心线之间的浆体速度可以近似看成为线性分布,即:dv/dy=v/0.01=100v。式(4)可转化为

100aηv+x+h0-H=0

(5)

式(5)中:v为试验中所测得砂浆在某时刻沿x轴向的速率,m/s。

式(5)可以改写为

(6)

求解式(6)中的微分方程为

t=(-100aη)ln(H-h0-x)-c

(7)

由式(7)可知,时间t与ln(H-h0-x)呈线性关系,若以ln(H-h0-x)为横向坐标,t为纵坐标建立坐标系,求解所得直线与y轴交点为常数-c,直线斜率为100aη,所以该试验以aη反映砂浆黏度的大小。

3 试验结果

3.1 矿渣掺量对砂浆水头位置的影响

本研究主要针对高炉矿渣对水泥砂浆流变性能影响进行试验,试验中调整水泥砂浆的水胶比和高炉矿渣掺量,测量新拌砂浆水头位置的变化。图3 为砂浆流变实验中不同水胶比和不同高炉矿渣下测试时间与砂浆水头位置的关系图。

图3 不同水胶比和不同高炉矿渣下测试时间与砂浆水头位置的关系图Fig.3 Relationship between test time and mortar head position under different water-binder ratio and different blast furnace slag

由图3可知,高炉矿渣的掺量不同时,曲线走向一致,初始斜率较大,曲线逐渐变缓。同一测试时间下,随着矿粉掺量增加,砂浆的流速明显增大,并且水胶比的增大对砂浆流速的影响起决定作用。

3.2 矿渣掺量对砂浆流速的影响

时间为5 s和10 s时,不同矿渣掺量对砂浆流速的影响试验结果分别如图4和图5所示。

图4 不同时间不同矿渣掺量砂浆流速变化Fig.4 Relationship between flow velocity and time when time is 5 second and 10 second

图5 砂浆h0随矿渣掺量变化曲线Fig.5 Curves of h0 value with slag content

从图4可知,在矿渣掺量在10%时,砂浆流动速度有明显的提高,但在矿渣掺量增大时,砂浆的流动速度会随着矿渣掺量的增加而减小,当掺量大于20%时,砂浆的流动速度甚至小于同水灰比下无矿物掺合料的浆体流动速度。由此可见,磨细矿渣粉在一定掺量范围内可以改善砂浆的流动速度,但高掺量反而会降低砂浆的流动性。

3.3 矿渣掺量对砂浆流变参数τ0的影响

本研究中采用垂直管中的砂浆残留高度h0表征砂浆初始剪切力τ0值大小。试验结果如图6所示。

图6 aη随矿渣掺量变化曲线Fig.6 Curves of aη value with slag content

图5表示砂浆停止流动时,垂直管中的砂浆残留高度的大小,试验结果显示,在矿渣掺量在10%时,砂浆的残留高度h0相比无掺合料砂浆小,但在矿渣掺量超过20%时,h0会有所增大,并之后随着矿粉掺量的增加显著增长。h0随矿渣掺量的基本变化规律为线性关系。

总的来说,当矿渣掺量较小时,砂浆流动速度会随着矿渣掺量的增加略有增加,砂浆的残留高度h0会随着矿渣掺量的增加略有降低,而这一现象在矿渣掺量超过20%以后有所改变,之后随着矿渣掺量的增加,砂浆的流动速率会明显降低,砂浆最终残留高度会明显增加。h0在矿渣掺量为10%的时候达到最小值。

综上所述,在矿渣掺量在10%时,砂浆的初始剪切力τ0比无掺合料砂浆略小,但在矿渣掺量超过20%时,τ0会有所增大,并之后随着矿粉掺量的增加显著增长。

3.4 矿渣掺量对砂浆流变参数的影响

在此理论基础上,根据试验测得的砂浆速率,计算得出矿渣掺量不同时,水泥砂浆的黏度系数aη的大小,该值反映了砂浆流变特征参数黏度系数η。为了进一步得出η值与高炉矿渣掺量的关系,以砂浆的aη为纵坐标,以高炉矿渣掺量比例为横坐标,得出aη随高炉矿渣掺量变化曲线如图6 所示。

由图6(a)可知,在高炉矿渣掺量在10%时,砂浆的黏度系数η比无掺合料砂浆略小,随后浆体η随着矿渣掺量增加而增大。与τ0变化规律相似,η在高炉矿渣掺量为10%时达到最小值。由图6(b)可知,砂浆的黏度系数η的变化随着矿渣掺量增加而呈线性变化。

4 机理分析

从试验结果可知,少量掺入高炉矿渣可以改善砂浆的流变性能,砂浆的流动速度随高炉矿渣的掺量的增加先增大后降低,砂浆的两个流变参数η和τ0随着高炉矿渣掺量的变化而变化,在高炉矿渣掺量在10%时达到最高值;在高炉矿渣掺量在20%以上时,砂浆流变参数随矿渣掺量的增加呈线性增加。产生此结果的原因分析如下。

一方面,少量掺入高炉矿渣可以改善砂浆的流变性能,因为矿渣微粉在砂浆中的填充效应[15]。砂浆内部结构电镜扫描结果如图7所示。水泥粉体颗粒粒径大部分集中在10～70 μm,在砂浆中出现颗粒堆积的现象,水泥颗粒之间存在较多的空隙,较大的空隙率会导致需水量增加,导致砂浆流动性降低。砂浆中掺入矿粉后,较细的矿粉颗粒就能够填充于水泥颗粒之间。矿渣的填充效应,使整个胶凝粉体的颗粒分布加宽,产生了“微集料”效用,改善了水泥的颗粒级配,使原有空隙中的水得到释放,浆体中自由水增加,砂浆的流动性能得以改善。由此可见,砂浆的填充作用和分散作用有利于降低砂浆的初始屈服值和黏度[16]。

图7 砂浆微观结构图Fig.7 Microstructure diagram of mortar

微观上讲,水泥砂浆中的水泥颗粒之间存在斥力和吸力两种作用,其中吸力以毛细管力为主,其大小与毛细管半径成反比,与物质的表面张力成正比。水泥颗粒之间的斥力主要表现为电斥力,电斥力的大小与水泥颗粒的电动电位有关。当砂浆中加入少量矿渣时,浆体中自由水增加,水泥颗粒和液相界面的扩散层离子浓度降低,离子扩散增大,导致扩散层的厚度增加,相应的电动电位增加,水泥颗粒之间的电斥力就会增大。同时,自由水增加使粒子水膜厚度变大,水泥颗粒毛细管半径增大,从而毛细管力减小,吸力降低。由此可见,少量高炉矿渣的加入使新拌砂浆更加容易分散。因此,随高炉矿渣掺量的增加,砂浆流变性能变好,砂浆的初始屈服值和黏度有所降低。

另一方面,与水泥颗粒相比,高炉矿渣的颗粒粒径小,总体颗粒较细,且属于多角形,形状不规则,与水泥相比之下,高炉矿渣微粉颗粒的比表面积大,表面润湿需水量大。表面具有吸附作用,具有很高的表面能,表面吸附水量亦大。高炉矿渣微粉的表面吸附作用降低了砂浆的流动度,增大了砂浆的剪切应力τ0和黏度系数η。从这一点来看,矿粉的掺入不利于砂浆的的流动性,结果也证明了这一点。故在砂浆中使用高炉矿渣时,与减水剂配合使用效果更佳。