引用本文
高小建, 孙博超, 叶焕, 王子龙. 矿物掺合料对自密实混凝土流变性能的影响.吉林大学学报:工学版, 2016, 46(2): 439-444
GAO Xiao-jian, SUN Bo-chao, YE Huan, WANG Zi-long. Influence of mineral admixtures on the rheological behavior of self-compacting concrete. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(2): 439-444  
Permissions
Copyright©2016, 吉林大学学报编辑部
版权所有.吉林大学学报编辑部
矿物掺合料对自密实混凝土流变性能的影响
高小建1,2, 孙博超2, 叶焕2, 王子龙2
1.哈尔滨工业大学 结构工程灾变与控制教育部重点实验室,哈尔滨 150090
2.哈尔滨工业大学 土木工程学院,哈尔滨 150090

作者简介:高小建(1976-), 男, 教授,博士.研究方向:混凝土材料早期性能.E-mail:xjgao2002@aliyun.com

基金:教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-12-0157); 国家自然科学基金项目(51578192)
摘要

采用新型混凝土流变仪,研究了不同矿物掺合料对新拌自密实混凝土(SCC)拌合物流变性能的影响规律.研究结果表明:随着粉煤灰的掺入,SCC拌合物的屈服剪切应力与塑性黏度逐渐降低;矿渣可使SCC拌合物的屈服剪切应力先降低再增加,触变性能显著增强;石灰石粉的掺入使SCC拌合物的屈服剪切应力及触变性均有所增大.随着静置时间延长,SCC拌合物的触变性逐渐变弱,屈服剪切应力增大,塑性黏度减小.

关键词: 建筑材料; 自密实混凝土; 流变性能; 粉煤灰; 矿渣; 石灰石粉
中图分类号:TU528.53 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)02-0439-06
Influence of mineral admixtures on the rheological behavior of self-compacting concrete
GAO Xiao-jian1,2, SUN Bo-chao2, YE Huan2, WANG Zi-long2
1.Key Lab of Structures Dynamic Behavior and Control,Ministry of Education, Harbin Institute of Technology,Harbin 150090, China
2.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China
Abstract

In this paper, the influence of mineral admixtures on the rheological properties of fresh Self-Compacting Concrete (SCC) mixture was studied using a new type of concrete rheometer. The results show that both yield shear stress and plastic viscosity of the SCC mixture decrease as the content of fly ash in the mixture increases. As the content of Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS) increases, the thixotropy behavior of the SCC mixture becomes more obvious, and the yield stress decreases first and then increases. Both the yield stress and the thixotropy behavior of SCC mixture increase with the addition of limestone powder. For all the SCC mixtures with different mineral admixtures, as the storage time increases, the thixotropy behavior of fresh concrete is gradually weakened, the yield stress increases and the plastic viscosity decreases.

Keyword: building materials; self-compacting concrete(SCC); rheological behavior; fly ash; ground granulated blast furnace slag(GGBFS); limestone powder
0 引 言

自密实混凝土(SCC)又称免振或自流平混凝土, 在浇筑过程中不需要任何的人工振捣即可自动填充模板, 密实包裹钢筋从而保证工程质量, 因而SCC是现代混凝土的一个重要发展方向[1, 2].新拌混凝土的流变性能直接决定了其自填充和密实性能, 因此, 研究混凝土的流变特性对于SCC具有重要意义.矿物掺合料, 化学外加剂的掺入对混凝土的流变性能影响较大, 目前主要通过掺加矿物粉体材料, 超塑化剂以及增稠剂等来改善混凝土的流变性能[3, 4, 5, 6, 7].近年来, 国内外对于SCC的流变性能也进行了大量的理论研究, Masahiro[8]基于剩余浆体理论总结了剩余浆体层的厚度与屈服剪切应力, 黏度系数关系的流变模型.Leemann和Billberg的研究表明[9, 10], 静停状态下SCC砂浆体的屈服剪切应力和塑性黏度变化与时间呈线性关系.Feys[11]应用改进的Bingham模型研究了自密实混凝土流变性能, 结果表明混凝土的剪切稠化现象主要与水胶比, 减水剂的种类, 矿物掺合料, 流动扩展度有关.在国内, 李政等[12]研究了单掺粉煤灰对自密实混凝土流变性能的影响, 刘伟强[13]研究了矿物掺合料, 减水剂, 水胶比等对SCC流变性能的影响规律.

在现有文献中, 大多数学者以水泥净浆为研究对象, 这与实际混凝土的流变性能还有较大差距; 另一方面, 不同研究者采用的流变测试仪器的工作原理不同, 得到的不同矿物掺合料对混凝土流变性能的影响规律也存在分歧.因此, 本文采用法国CAD公司生产的国际上最新型混凝土流变仪, 对不同掺量粉煤灰, 矿渣, 石灰石粉的SCC混凝土拌合物的流变性能进行了实验研究, 可为实际工程中掌握和控制SCC流变性能提供理论基础与参考.

1 实验方案
1.1 原材料

采用哈尔滨水泥厂生产的P· O 42.5普通硅酸盐水泥, 基本性能指标如下:细度(80 μ m筛孔筛余)为4.0%, 初凝时间为125 min, 终凝时间为189 min, 安定性为合格, 3 d和28 d的抗压强度分别为29.1, 60.3 MPa, 抗折强度分别为5.7, 8.3 MPa.

粉煤灰为哈尔滨第三发电厂生产的Ⅰ 级粉煤灰, 其主要性能指标如下:细度(80 μ m筛孔筛余)为4.8%, 烧失量为2.8%, 需水量比为94%, 28 d抗压强度比为70.6%.

采用黑龙江华达水泥有限公司生产的磨细矿渣粉, 其技术指标如下:烧失量为0.56%, SO3质量分数为0.50%, 比表面积为476 m2/kg, 密度为2.85 g/cm3, 28 d活性指数为114%.

石灰石粉为天然石灰岩磨细成粉, 细度达到80 μ m筛孔筛余量14.4%.减水剂为哈尔滨工业大学强石集团生产的聚羧酸高性能减水剂.粗骨料为粒径5~20 mm, 连续级配.细骨料所用砂子为中砂, 级配合理.

1.2 混凝土配合比

本文以强度等级为C40的自密实混凝土为基础, 考虑3种矿物掺合料以不同掺量替代水泥共设计了10种混凝土配合比, 具体如表1所示, 其中, FA为粉煤灰, SL为矿渣, LS为石灰石.

表1 自密实混凝土配合比 Table 1 Mixing proportion of self-compacting concretes
1.3 测试方法

本文主要是为了研究不同矿物掺合料对混凝土流变性的影响规律, 各配合比中的粗骨料完全相同.由于粗骨料的粒径较大, 流变仪测试数据不稳定, 可重复性较差, 因此在扣除粗骨料达到饱和面干时的吸水量之后拌制各混凝土中的砂浆基体进行测试.

实验所采用设备为RheoCAD400流变仪, 此流变仪为法国CAD公司生产, 操控完全自动化, 实验数据结果由计算机自动存储.测试时, 将所制备的砂浆样品快速装入流变仪筒体中在室温下进行密封保存, 分别在0.5, 1, 1.5, 2 h根据特定的程序进行自动测量, 主要测得材料的屈服剪切应力和塑性黏度, 并以加速-减速剪切测试曲线所包裹的面积(即触变环)评价各样品的触变性能.根据流变学的知识, 触变环的面积越大, 材料触变性能越强, 受剪切变形后越容易恢复到原来状态.

2 结果与分析
2.1 基准混凝土的流变性能

不同测试时间的C40基准混凝土的剪切速率与剪切应力关系如图1所示.可见, 2 h内剪切应力随剪切速率的增加而变大.应用软件可计算2 h内4个测点的触变环面积, 分别为1485.2, 1110.7, 825.5, 814.7 Pa/s, 说明C40基准混凝土的触变性能在2 h内随时间递减.不同速率下混凝土的剪切应力变化区间为43.25~369.83 Pa.经过曲线拟合, 可得C40基准混凝土各测点的塑性黏度分别为5.83, 5.38, 5.03, 4.96 Pa· s, 说明其塑性黏度随着时间逐渐下降.

图1 基准拌合物的剪切速率与剪切应力Fig.1 Shear rate and shear stress of the control mixture

2.2 粉煤灰对SCC流变性能的影响

不同粉煤灰掺量SCC砂浆体的剪切速率与剪切应力关系见图2.

图2 拌合物的剪切速率与剪切应力Fig.2 Shear rate and shear stress of mixture

由图2(a)可以看出:掺10%粉煤灰后SCC砂浆体的剪切应力随剪切速率增大而增加; 各测点的触变环面积分别为969.6, 709.0, 682.1, 1014.5 Pa/s, 触变环面积总体上呈减小趋势, 说明其触变性能随时间的增加而变弱.但2 h的触变环面积较大, 是由于在加速搅拌过程中局部搅拌不均匀所导致.剪切应力在43.93~334.91 Pa变化.由图2(b)可见:掺20%粉煤灰后SCC砂浆体4个测点的触变环面积为976.3, 745.1, 649.2, 605.3 Pa/s, 呈减小趋势, 说明其触变性能逐渐变弱, 且变弱趋势比较平缓.剪切应力的变化区间为38.42~347.87 Pa.由图2(c)可见:掺30%粉煤灰时砂浆样品在各测点的触变环面积分别为2074.3, 961.6, 857.1, 862.7 Pa/s.0.5~1 h内触变环面积下降大约53.64%, 而在1~2 h内却降幅不大, 降幅大约0.6%.剪切应力的变化区间为35.04~293.96 Pa.

图3 粉煤灰对SCC塑性黏度的影响Fig.3 Influence of fly ash on plastic viscosity of SCC

由图3可见:掺入粉煤灰之后可显著降低混凝土的塑性黏度值.掺粉煤灰SCC砂浆的塑性黏度随静置时间的延长先上升再下降.C40基准配比砂浆塑性黏度2 h内降幅达到14.92%; FA10砂浆体的塑性黏度降幅为8.24%; FA20和FA30砂浆体的塑性黏度值也呈下降趋势, 但降幅较小.这是因为粉煤灰具有"玻璃微珠"效应, 起到了良好的润滑作用, 降低了SCC砂浆体的塑性黏度和屈服剪切应力, 改善了SCC拌合物的流变性能.

2.3 矿渣对SCC流变性能的影响

图4为不同掺量矿渣SCC砂浆体的剪切速率与剪切应力曲线的关系.

由图4(a)可见:掺20%矿渣SCC砂浆体的各测点剪切应力随剪切速率变化不大, 触变环面积分别为2069.7, 1521.4, 1079.3, 1359.4 Pa/s.触变环面积总体上呈变小趋势, 说明其触变性变弱.但2 h测点的触变环面积却有所上升, 其原因是剪切速率增加时出现异常点.剪切应力的变化区间为38.52~334.53 Pa.

由图4(b)可知:掺30%矿渣SCC砂浆体的剪切应力与剪切速率曲线上升与下降段出现明显分离.计算4个测点的触变环面积为3101.3, 1733.2, 1666.1, 1617.4 Pa/s, 触变环面积随时间递减, 在1 h内触变环面积降幅较大, 其触变性能变弱.剪切应力的变化区间为57.06~458.57 Pa.

由图4(c)可见:掺40%矿渣后SCC砂浆体的剪切速率和剪切应力曲线上升和下降段包围面积进一步增大, 说明其触变性增强.计算各测点的触变环面积为4630.7, 2785.1, 1820.9, 1171.3 Pa/s, 在2 h内, 触变环面积降幅大约74.71%, 说明混凝土的触变性能随时间下降非常显著.剪切应力在39.46~406.83 Pa变化.

图4 拌合物的剪切速率与剪切应力Fig.4 Shear rate and shear stress of mixture

图5 矿渣对SCC塑性黏度的影响Fig.5 Influence of GGBFS on plastic viscosity of SCC

不同矿渣掺量时各SCC砂浆体的塑性黏度随时间变化曲线如图5所示.可见, 掺入不同量的矿渣对SCC的塑性黏度有着不同的影响, 经过2 h静置, SL20拌合物的塑性黏度由5.38 Pa· s降低到4.53 Pa· s, 降幅约为14.58%; SL30拌合物的塑性黏度高于基准配合比, 但仍随时间的延长而下降, 降幅为12.79%; SL40拌合物的塑性黏度先增加后下降, 但总体呈现上升趋势.

2.4 石灰石粉对SCC流变性能的影响

图6为不同掺量石灰石粉的SCC砂浆体的剪切速率与剪切应力的关系曲线.可见, 掺5%石灰石粉SCC砂浆体的剪切应力随着剪切速率的增加而增大; 测得各时间点的触变环面积分别为1764.8, 1833.8, 1043.0, 421.7 Pa/s.在1 h时触变环的面积稍有增大, 总体呈下降趋势, 说明其触变性能逐渐变弱.剪切应力的变化区间为50.69~451.13 Pa.掺入10%石灰石粉时, SCC砂浆体各时间点的触变环面积分别为1828.8, 1558.5, 870.4, 934.4 Pa/s, 其面积值总体上随时间的增加而变小, 触变性能随时间的增加呈下降趋势.砂浆体的剪切应力变化区间为58.56~416.63 Pa.石灰石掺量增加到15%时, SCC砂浆体各时段剪切应力与剪切速率的曲线规律与前面相近, 对各测点的触变环面积进行计算, 分别为2210.6, 1707.2, 1570.5, 973.2 Pa/s.触变环面积值随着时间递减, 其触变性能变弱, 在1.5 h后的降幅较大.剪切应力的变化区间为48.68~394.609 Pa.

图6 拌合物的剪切速率与剪切应力Fig.6 Shear rate and shear stress of mixture

从图7可以看出:LS5拌合物的前三个测点的塑性黏度要高于基准拌合物, 但随时间下降很快, 2 h时下降到基准SCC以下, 总体降幅大约32.20%; LS10拌合物的塑性黏度呈先减小后增大的趋势; LS15拌合物的塑性黏度随着时间先略有增大, 后随时间减小.

图7 石灰石粉对SCC塑性黏度的影响Fig.7 Influence of limestone powder on plastic viscosity of SCC

2.5 不同矿物掺合料影响规律的对比分析

图8给出了C40基准, FA20, SL30, LS10四种拌合物的触变环面积随时间的变化规律.可以发现, 各拌合物的触变性由强到弱规律为:

SL30> LS10> 基准> FA20.SL30拌合物的触变性最强, 但其触变环面积在0.5~1 h内降幅较大, 随后趋于平稳; 而C40基准, FA20, LS10三种拌合物的触变环面积随时间的降幅较小, 下降趋势基本一致.这说明掺各种矿物掺合料的SCC砂浆体的触变性能均随着时间延长而逐渐变弱.

图8 不同矿物掺合料对触变性的影响Fig.8 Influence of different mineral admixtures on thixotropy of SCC

掺不同种类矿物掺合料SCC砂浆体的塑性黏度随时间的变化规律如图9所示.SL30的塑性黏度值远远大于C40基准拌合物, 同时这两种拌合物的塑性黏度随时间的增加而明显减小, 降幅分别为12.79%和14.92%; FA20拌合物的塑性黏度由于粉煤灰的"玻璃微珠"效应而小于基准拌合物, 其值随时间的增加略有减小, 降幅为2.72%; LS10拌合物的塑性黏度随时间呈现出先减小后增加的趋势, 最终下降幅度为5.24%.

图9 不同矿物掺合料对塑性黏度的影响Fig.9 Influence of different mineral admixtures on plastic viscosity of SCC

3 结 论

(1)SCC的触变性能随着粉煤灰掺量增加呈现出先变弱后增强的趋势; 而混凝土的屈服剪切应力和塑性黏度随粉煤灰的掺量增加而逐渐减小.

(2)掺矿渣可显著增强SCC拌合物的触变性能.掺20%和掺30%矿渣的SCC拌合物的塑性黏度随时间呈减小趋势, 而掺40%矿渣时拌合物的塑性黏度随着时间先增大后减小.

(3)掺石灰石粉使SCC的触变性能和屈服剪切应力均有所增大.掺5%石灰石粉的SCC拌合物的塑性黏度明显高于基准拌合物, 而掺10%和15%石灰石粉对塑性黏度的影响不显著.

(4)随着静置时间延长, 掺加不同掺合料SCC拌合物的触变性逐渐变弱, 屈服剪切应力增大, 塑性黏度减小.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Domone P L. A review of the hardened mechanical properties of self-compacting concrete[J]. Cement & Concrete Composites, 2007, 29(1): 1-12. [本文引用:1]
[2] 刘运华, 谢友均, 龙广成. 自密实混凝土研究进展[J]. 硅酸盐学报, 2007, 35(5): 671-678.
Liu Yun-hua, Xie You-jun, Long Guang-cheng. Progress of research on self-compacting concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2007, 35(5): 671-678. [本文引用:1]
[3] Yu Zhi-wu, Shi Cai-jun, Khayat K H, et al. Performance and use of self-consolidating concrete[C]//Proceedings of 1st International Symposium on Design. Paris: RILEM Pub-location SARL, 2005: 137-144. [本文引用:1]
[4] Víctor Fernàndez-Altable, Ignasi Casanova. Influence of mixing sequence and superplasticiser dosage on the rheological response of cement pastes at different temperatures[J]. Cement and Concrete Research, 2006, 36(7): 1222-1230. [本文引用:1]
[5] Nehdi M, Mindess S, Atcin P C. Rheology of high performance concrete: effects ultrafine particles[J]. Cement and Concrete Research, 1998, 8(5): 687-697. [本文引用:1]
[6] Park C K, Noh M H, Park T H. Rheological properties of cementitious materials containing mineral admixtures[J]. Cement and Concrete Research, 2005, 35(5): 842-849. [本文引用:1]
[7] Hu Chong, de Larrard F. The rheology of fresh high performance concrete[J]. Cement and Concrete Research, 1996, 26(2): 283-294. [本文引用:1]
[8] Masahiro Ouchi. Self-compactablity of fresh concrete[C]//Proceedings of 1st International Symposium on Design. Paris: RILEM Publication SARL, 2005: 65-73. [本文引用:1]
[9] Leemann Andreas, Hoffmann Cathleen, Winnefeld Frank. Pressure of self-consolidating concrete on formwork[J]. Concrete International, 2006, 28(2): 27-31. [本文引用:1]
[10] Billberg Peter, Silfwerbrand Johan, Osterberg Thomas. Form pressures generated by self-consolidating concrete[J]. Concrete International, 2005, 27(10): 35-42. [本文引用:1]
[11] Feys D, Verhoeven R, Schutter G D. Fresh self compacting concrete, a shear thickening material[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(7): 920-929. [本文引用:1]
[12] 李政, 张德思. 粉煤灰对自密实混凝土流变性能的影响[J]. 粉煤灰综合利用, 2005(5): 3-5.
Li Zheng, Zhang De-si. Influence of fly ash on the rheological behavior of self-closely-concrete[J]. Fly Ash Comprehensive Utilization, 2005(5): 3-5. [本文引用:1]
[13] 刘伟强. 自密实混凝土流变性能与强度试验研究[D]. 北京: 北京交通大学土木建筑工程学院, 2010.
Liu Wei-qiang. Study on rheological properties and strength test of self-compacting concrete[D]. Beijing: School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, 2010. [本文引用:1]