不同种类水泥对混凝土流动性的影响

文摘 2024-12-27 07:04 河南

0　引言

混凝土的流动性是指混凝土在自身重量或机械振动搅拌下的流动性能。混凝土的流动性能对施工过程和工程质量起着重要作用，是一直以来业界研究的重点。张学兵等通过增加单位用水量或增加水泥用量来研究混凝土的流动性，研究表明，混凝土的流动性与混凝土重量之间呈线性关系。陈喜旺等通过添加不同比例的石粉和粉煤灰以调节混凝土的流动性，当石粉与粉煤灰的比例为1:1，掺量为胶凝材料总量的20%时，混凝土坍落度最大。通过对比分析不同类型等量的减水剂对砂浆流动性能的影响，但这些研究使用单一类型的水泥，通过改变其他原材料以调整混凝土的流动性，针对不同类型的水泥对水泥混凝土流动性的影响研究较少。因此，随着水泥品种的增加，研究不同水泥类型对混凝土流动性能的影响具有重要的工程意义。

混凝土的流动性随着单位用水量的增加呈指数关系。用水量的变化直接影响水灰比，水泥需水量越小，混凝土单位需水量越少，水灰比越小，混凝土强度和耐久性越好。然而，关于水泥需水量与黏度、混凝土流动性之间关系的研究较少。因此，研究不同类型水泥的需水量，选择需水量较小的水泥，不仅能满足生产需要，而且能满足可持续发展的需要。

本研究采用低热水泥、硅酸盐水泥和复合水泥，测试标准稠度用水量和水泥浆体黏度。采用三种水泥配制不同强度等级的混凝土，并通过调整减水剂的用量，使混凝土具有相同的坍落度，以此研究水泥品种与减水剂用量的相关性，同时，分析了不同强度等级混凝土的标准稠度用水量、不同配合比下的水泥浆体黏度和流动性之间的相关性。

1　试验

1.1　原材料

材料：低热水泥P·LH42.5、复合水泥P·C42.5，普通硅酸盐水泥P·O42.5R。骨料：粗骨料为5～31.5mm连续级配碎石；细骨料细度模数为3.4，属于粗砂。

减水剂：减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率29%。水：普通自来水。

1.2　试验方案

试验分别采用低热水泥、普通硅酸盐水泥和复合水泥设计了三个强度等级(C30、C40和C60)的混凝土，配合比如表1所示。每种强度等级的混凝土在相同的配合比下，通过改变减水剂用量，使混凝土的坍落度保持在20～30mm，减水剂的掺量反映了不同种类水泥对混凝土流动性的影响。

1.3　测试方法

根据普通混凝土拌和物性能试验方法标准，对三种水泥制备不同强度等级的混凝土进行混凝土坍落度试验。通过调节减水剂用量，使不同混凝土坍落度均达到20～30mm，确定相同坍落度条件下的混凝土配合比。若坍落度不满足，则再次调整，直至现有配合比满足坍落度在20～30mm。

根据标准稠度用水量试验方法(标准法)，测量了三种不同类型水泥的标准稠度用水量。首先，称量500g水泥，并根据水的量制备水泥浆，拌和结束后，立即将拌制好的水泥净浆装入已置于玻璃板上的试模中，用小刀插捣，轻微振动数次，刮去多余净浆；抹平后迅速将试模和底板移到维卡仪上，并将其中心定在试杆下，降低试杆直至与水泥净浆表面接触，拧紧螺丝1～2s后，突然放松，使试杆垂直自由地沉入水泥净浆中。在试杆停止沉入或释放试杆30s时，记录试杆距底板之间的距离，升起试杆后，立即擦净。

整个操作应在搅拌后1.5min内完成。以试杆沉入净浆并距底板(6±1)mm的水泥净浆为标准稠度净浆。其拌和水量为该水泥的标准稠度用水量(P)，按水泥质量的百分比计。

根据TJ/GW112-2013《高速铁路CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》及黏度测试方法，对三种不同类型的水泥进行了黏度试验。根据配合比，将所需材料倒入烧杯中，并用搅拌器彻底混合。选择合适的转子和转速，以确保水泥浆黏度在70%～100%，然后将转子安装在旋转黏度计上。将成品水泥浆倒入250mL烧杯中，置于旋转黏度计的转子下方，降低旋转黏度仪，并将转子插入水泥浆至所需深度。然后启动旋转黏度计并测试黏度，若黏度值不符合所选转子和对应于测试70%～100%的速度，则更换转子或重置速度。对水泥浆体的黏度进行3次测试以满足要求后，取平均值作为水泥的黏度。试验测试用NDJ-99型旋转黏度计(量程为10～2000000MPa·s)，使用2#转子，转速为30r/min测试。

2　试验结果及分析

通过改变减水剂的用量，使混凝土在不同种类水泥及强度等级下的坍落度在20～30mm，减水剂用量如图1所示。从图1可以看出，不同强度等级的混凝土，要达到相同的坍落度，即相同混凝土流动性，低热水泥需要的减水剂最少，而普通硅酸盐水泥需要的减水剂最多。

不同条件下的水泥浆体标准稠度用水量如图2所示。对比图1和图2可以看出，水泥浆体标准稠度用水量基本可反映水泥类型的混凝土流动性。低热水泥的标准稠度低于普通硅酸盐水泥，相应的混凝土要达到相同的流动性能时，需要添加的水量也远小于普通硅酸盐水泥混凝土的平均用量。而水泥浆体的黏度并不反映混凝土的流动性，其反映了水泥组成材料之间的黏接力。

不同情况下的水泥浆体黏度测试结果如图3所示。根据相关研究，水泥标准稠度用水量应满足四个部分的需要：水泥颗粒间的填充水、颗粒表面形成水膜、水泥颗粒间的相互作用、初始水和孔隙中的吸附水。

普通硅酸盐水泥含有5%～20%的混合物。由于混合物粒径较小，水泥的比表面积随着水的加入而增加，用于形成表面水膜的水量也会增加。在水泥和水的混合过程中，会产生一些絮状结构，将包裹大量混合水。掺入减水剂可破坏这种絮凝结构，释放混合水，从而改变水泥黏度。从图3可以看出，在C60强度等级下，加入减水剂后黏度降低，说明水泥颗粒形成一定的絮状结构，因絮状结构需用水填充，导致其标准稠度水增加。普通硅酸盐水泥的碱含量较高，水化时会产生更多的水化热。随着温度升高，水合作用将变得更快，水需求量将变得更大。

掺入两种或两种以上混合料为20%～50%的复合水泥，有效改善了颗粒分布。颗粒分布得到改善后，水泥堆积物的孔隙率将降低，标准稠度的耗水量将降低。然而，从图3中可以看出，在C60混凝土中，当复合水泥加入更多减水剂时，黏度大幅降低。结果表明，水泥颗粒形成了更多的絮状结构，大量的混合水包裹在结构中。因此，搅拌水泥浆体时，需要更多的水来填充这部分结构空间，即需填充更多的水，因此，标准稠度用水量仅与普通硅酸盐水泥相同。

从图3中可以看出，低热水泥的黏度低于不添加和减少减水剂的情况，主要是由于C60混凝土中的水泥量更多，导致黏度更高，表明水泥颗粒形成的絮凝结构不多，同时，低热水泥水化热较少，水化反应较慢，对于初始水化水的消耗量相对较少，这也导致了标准稠度用水量较小。由于生产工艺和水泥成分的差异，低热水泥的水泥颗粒大于普通硅酸盐水泥和复合水泥。因此，低热水泥颗粒的比表面积小，水膜的需水量变小，将导致标准稠度的减少。此外，水泥熟料中四种主要矿物的标准稠度从大到小依次为：C₃A、C₄AF、C₃S和C₂S，熟料中C₃A含量越高，标准稠度的耗水量越高。这主要是因为C₃A的水化速率最快。

在水泥水化的早期阶段，部分水已被转化，从而消耗了部分水，而C₃S的水化速度最慢。此时，几乎没有水化反应；此外，单位质量下C₃A的体积最大，导致C₃A颗粒表面形成的水膜的最大耗水量，表明水泥需水量增加。

以不同类型的水泥浆体黏度为横坐标，混凝土减水剂的用量为纵轴，线性拟合如图4所示。从图4可以看出，水泥黏度与减水剂用量的相关系数不大于0.8，相关度极低，两者之间没有呈现明显的对应关系。与图1和图3相比可以看出，C30水泥浆体中，复合水泥具有与低热水泥相同的黏度，但C30中低热水泥混凝土的减水剂用量低于复合水泥；C40水泥浆，普通硅酸盐水泥和低热水泥黏度相差不大，复合水泥的黏度最大，但C40普通硅酸盐水泥混凝土减水剂的用量最大，而复合水泥混凝土减水剂的用量少；C60中，低热水泥浆体黏度最高，而混凝土减水剂用量最少。因此，水泥的黏度与相应强度等级的混凝土流动性之间没有明显的对应关系。

以不同种类水泥的标准稠度为横坐标，以相应类型混凝土的减水剂用量为纵坐标，经线性拟合后发现，无论混凝土强度等级如何，相同坍落度下减水剂用量与水泥标准稠度需水量明显相关，相关系数R2大于0.9，如图5所示，表明水泥的标准稠度可作为混凝土流动性的参考。

3　结论

本文分析不同种类水泥混凝土达到相同坍落度时减水剂的用量，比较不同种类水泥浆体标准稠度用水量、减水剂用量和黏度测量结果，主要结论如下：

(1)不同种类的水泥对混凝土流动性具有显著影响。在相同的水灰比下，低热水泥的单位用水量最少，减水剂用量最少；普通硅酸盐水泥的单位用水量最大，相应的减水剂用量最多。

(2)水泥的标准稠度用水量基本上可作为相应类型混凝土流动性的参考，水泥浆体黏度与混凝土流动性之间没有明显关系。

(3)聚羧酸系高效减水剂对低热水泥浆体黏度的影响不明显，其他两种水泥浆体的黏度影响更为明显。（来源：《江西建材》2024.增刊）

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