第一届全国水泥质量控制技术论坛优秀论文分享之(四)水泥品种对混凝土流动性能的影响

0　导　语

     混凝土的流动性是指混凝土搅拌物在本身自重或机 械振捣作用下产生流动，能均匀密实流满模板的性能，其性能的好坏对施工工艺和工程质量起着决定性的作用，因此，混凝土流动性能一直是研究热点。赵明[1]等通过增加用水、增加浆体用量的方式对混凝土的流动性进行研究，得出了混凝土的流动性与两者用量分别成指数和线性的关系；张佳阳[2]等通过掺加不同比例的石灰石粉和粉煤灰调节混凝土的流动性，得出了石灰石粉和粉煤灰1：1掺胶凝材料质量的20%时，混凝土达到最大坍落度；钟一 鸣[3]等通过对比具有相同减水率的不同类型的减水剂对混凝土流动性的影响，得出了不同类型减水剂对水泥砂浆流变系数的影响规律；但是这一类研究均采用单一的水泥种类，通过改变其他原材料的掺量调节混凝土的流动性，而对于不同种类水泥对混凝土流动性的研究未见报道，随着水泥品种的不断增加，研究不同水泥品种对混凝土流动性能的影响具有极大的工程意义。

   混凝土的流动性随着用水量的增加成指数关系，用水量的变化影响着水灰比的变化，而水泥的需水量直接关系到混凝土的水灰比。水泥需水量小，混凝土的单位需水量小，水灰比就会变小，混凝土强度和耐久性就好[4]；但是水泥需水量和粘度与混凝土流动性的之间关系还未见报道。因此，研究不同种类水泥的需水量，并选择一种需水量小的水泥不仅能够满足生产的需要，更能够满足可持续发展的需要。

    本文对低热水泥、普通硅酸盐水泥、复合水泥的标准稠度用水量和粘度进行了测定；并将三种水泥用相同配合比配制了不同强度等级的混凝土，通过调整减水剂用量的方法，使混凝土具有相同的坍落度。将标准稠度用水量与不同配比的粘度和不同强度等级混凝土的流动性作了相关性分析；从微观上对三种水泥标准稠度用水量的差异进行了解释；对聚羧酸减水剂对混凝土粘度的改善作用做出了评价。

1　试验材料与试验方案

1.1　 试验材料

（1）水泥 

     低热水泥选用四川嘉华生产的P·LH42.5级水泥，复 合水泥选用拉法基牌P.C42.5级水泥，普通硅酸盐水泥选用亚东牌P·O42.5级水泥。

（2）集料

     粗集料为5~31.5mm的连续级配碎石；细集料符合级配Ⅰ区，属于粗砂，细度模数为3.36。 

（3）减水剂 

     减水剂选用四川恒泽的聚羧酸高效减水剂，减水率 为29%。 

（4）水 

    普通自来水。

1.2　工况设计 

    为了更加直观地反应出不同种类水泥对混凝土流动 性的影响，试验分别用低热水泥、普通硅酸盐水泥、复合水泥，设计了C30、C40、C60三种强度等级的混凝土，每种混凝土强度采用相同的配合比。通过改变减水剂的掺量，来使混凝土的坍落度保持在20~30mm的范围内，然后由减水剂的掺量反映出不同种类水泥对混凝土流动性的影响。设计工况如表1所示。

    混凝土的流动性能与用水量密切相关，不同种类水 泥对混凝土流动性的影响的差异在于不同种类水泥的单位需水量是不同的。为了更加直观地说明不同种类的水泥需水量的差异，本文分别用低热水泥、普通酸盐水泥、复合水泥三种水泥制成水泥净浆，并对其标准稠度用水量和粘度进行测定。三种水泥均称取500g做标准稠度需水量试验，粘度测定的水泥净浆配比设计如表2所示。

1.3　试验方法

     根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[5]对三种不同种类水泥的工况进行坍落度测试。通过加减水剂的方法，将每一种工况的坍落度都达到20~30mm之间，再将确定的配合比重新取样进行坍落度试验，如果不满足则再进行调整，直到使现有的配比能够满足坍落度在20mm~30mm之间。 根据《水泥标准稠度用水量检验方法》[6]对三种不同种类的水泥进行标准稠度用水量测定。首先采用代用法测定水泥标准稠度和用水量（即不变用水量法），用代用维卡仪对各种工况的水泥标准稠度用水量进行初定。用不变水量方法测定时，根据式（1）计算得到标准稠度用水 量P。称取500g水泥，根据代用法测得的用水量进行水泥净浆的配制，再通过标准维卡仪，用标准法对标准稠度进行测试。将浆体装模处理后，以试杆沉入净浆并距底板6mm±1mm的拌和水量为该水泥的标准稠度用水量（P）。

                     P=33.4－0.185S 

（1） 式中：P—标准稠度用水量，%；

                     S—试锥下沉深度，mm。 

    根据《粘度测量方法》[7]和《高速铁路CRTSⅢ型板 式无砟轨道自密实混凝土暂行技术条件》[8]的附录A对三种不同种类的水泥进行粘度测定。按配合比称取所需材料，将称取好的材料倒入较大的烧杯中，利用搅拌器充分搅拌。选择适宜的转子和转速，以保证估计的水泥净浆粘度在对应测试范围的70%～100%之间，然后将转子安装在旋转粘度计上。将拌制好的水泥净浆倒入250ml烧杯内，将其放置于旋转粘度计转子正下方，降低旋转粘度计，使转子插入水泥净浆液面内至规定的深度。启动旋转粘度 计，测试粘度读数，若粘度值不满足在所选转子和转速对应测试值范围的70%～100%的要求，则应更换转子或重新设定转速后，再进行测试。连续3次测试水泥净浆的粘度满足要求后，取其平均值作为该水泥的粘度。

2　试验结果与分析

      通过改变减水剂用量使得不同工况的混凝土坍落度均达20mm~30mm之间，减水剂用量见图1。通过图1可知，任何强度等级的混凝土，达到相同坍落度，即达到相同的混凝土流动性时，低热水泥所需要的减水剂最少，而普通硅酸盐水泥所需的减水剂最多。

     不同工况的水泥净浆标准稠度用水量见图2所示。对比图1和图2可知水泥的标准稠度用水量基本能够反应对应水泥种类的混凝土流动性，低热水泥的标准稠度用水量远远小于普通硅酸盐水泥，其对应的混凝土达到相同流动性能时候所需要添加的减水剂量也远远小于普通硅酸盐水泥混凝土的减水剂用量。而水泥净浆的粘度则不能反应出混凝土的流动性，水泥净浆的粘度能够反应出水泥组成材料之间的黏聚力。

      不同工况的水泥净浆粘度测试结果见图3所示。根据相关研究[9]，水泥标准稠度用水量要满足四部分的需要：水泥颗粒间隙间的填充水；颗粒表面形成水膜；初期水化水；孔隙内部的吸附水。

     普通硅酸盐水泥含有5%~20%的混合材料，由于混合材料颗粒粒径小，其掺入使得该种水泥总体的比表面积增大，形成表面水膜的用水量就会增加。水泥加水搅拌过程中，会产生一些絮凝状结构，包裹大量的拌合水，如图4所示；减水剂的掺入能够破坏这种絮凝结构，释放出拌合水，从而改变水泥的粘度。从图3可以看出加入减水剂之后（C60配比水泥净浆），其粘度有所降低，说明水泥颗粒 形成了一定的絮凝状结构，絮凝状结构需要拌合水去填充，导致其标准稠度用水量增大。普通硅酸盐水泥的碱含量较高，在水化时会产生较多的水化热量，随着温度升高，水化越快，需水量也因此变大[4]。

      复合水泥加入了20%~50%两种或两种以上的混合材料，将极大改善颗粒分布[10]。颗粒分布得到改善，水泥堆积的孔隙将减少，标准稠度用水量也将减少[11]。但是从图3可以看出复合水泥加入较多减水剂（C60配比水泥浆体）之后粘度降低很厉害，说明水泥颗粒形成的絮凝状结构较多，大量拌合水被包裹在结构内部，因此拌合水泥净浆时就需要较多的水去填充这部分结构空隙，也就是需要填充水较多，所以其标准稠度用水量仅次与普通硅酸盐水泥。

      低热水泥从图3可以看出加入减水剂（C60配比水泥浆体）后其粘度相比没有加减水剂的没有下降反而上升，这主要是因为C60混凝土的工况水泥用量较多，导致其粘度上升，同时也说明其水泥颗粒形成的絮凝状结构不多，因此标准稠度用水量就不需要太多的水作为絮凝状结构的填充水。同时，低热水泥水化放热少，水化反应速度慢，用于初期的水化水就相应地变少了，这也导致其标准稠度 用水量较小。由于生产工艺和水泥组成成分差异的影响，低热水泥的水泥颗粒比普通硅酸盐水泥和复合水泥大，因此低热水泥颗粒的比表面积小，在颗粒表面形成水膜的需水量就变少，也将导致其标准稠度用水量较小。此外，水泥熟料中四种主要矿物的标准稠度用水量由大到小的顺序是：C3A、C4AF、C3S、C2S，熟料中C3A含量越高，标准稠度用水量越高[12]。这主要因为C3A水化速率最快，在水泥水化初期巳进行部分转化，从而消耗一部分水，而C3S水化速度最慢，在这段时间几乎没有水化反应；此外，单位质量下C3A的体积最大，从而导致C3A颗粒表面形成的水膜用水量最大，表现为水泥需水量增加[13]。而低热水泥的C3A含量小，C3S含量较大，导致标准稠度用水量最小。

      以不同种类水泥粘度为横坐标，混凝土减水剂用量为纵坐标，并且进行线性拟合如图5所示。由图5可以看出，水泥粘度与对应水泥混凝土的减水剂用量的相关系数均未超过0.5，相关程度很低，可认为无明显的对应关系。对比图1和图3，可以看出C30配比的水泥浆体复合水泥和低热水泥粘度相当，但是C30低热水泥混凝土的减水剂用量低于复合水泥；C40配比的水泥浆体普通硅酸盐水泥和低热水泥相当，复合水泥的粘度最大，但是C40普通硅酸盐水泥混凝土的减水剂用量最大，而复合水泥混凝土的减水剂用量应处于其他两者之间；C60配比的水泥浆体低热水泥粘度最大，而在C60低热混凝土的减水剂用量是最少的。因此，水泥的粘度与对应种类的混凝土流动性之间并没有明显的对应关系。

      以不同种类水泥的标准稠度用水量为横坐标，对应种类的混凝土的减水剂用量作为纵坐标，通过线性拟合，得到了无论是哪一种强度等级的混凝土，达到相同坍落度时的减水剂用量与水泥的标准稠度需水量是明显相关的，并且相关系数R2均大于0.96，如图6所示。表明了水泥的标准稠度用水量可以作为混凝土流动性的一个参考。

3　结　论

    通过分析不同种类水泥混凝土达到相同坍落度时减水剂的掺量，并将不同种类水泥净浆标准稠度用水量和粘度测定结果与混凝土流动性进行对比析，主要得到以下结论：

（1）不同种类的水泥对于混凝土的流动性影响有较 大差异。低热水泥的单位质量需水量较少，在相同水灰比的情况下减水剂用量最少，普通硅酸盐水泥的单位质量需水量最大，对应的混凝土减水剂用量最多。 

（2）水泥的标准稠度用水量基本上能够作为对应种 类的混凝土流动性的一个参照；水泥净浆的粘度与混凝土流动不存在明显对应关系。

（3）聚羧酸减水剂对于低热水泥浆体的粘度影响不 明显，对其他两种水泥浆体的粘度影响较为明显。

本文作者：冉宇舟，李依芮，曾晓辉，刘云，王敏 ，文寨军 ，沈卫国，张昺榴

西南交通大学

武汉理工大学

中国建筑材料科学研究总院