基于多维粒径特性解析水泥浆的流变行为：微观润滑状态、动态堆积特征以及时间依赖性的结构活性

《Practical Radiation Oncology》：Deciphering the rheological behavior of cement paste based on multidimensional particle size characteristics: Microscopic lubrication state, dynamic packing features, and time-dependent structural activity

　　

冯凯文|丁亚荣|马昆林|何炯光|龙光成

中国湖南省长沙市中南大学土木工程学院，邮编410075

摘要

矿物掺合料粒级的微尺度波动对高流动性水泥基材料的工程性能具有决定性影响。然而，传统的单参数粒径指标往往难以全面解释复杂流变行为背后的物理本质。本研究超越了仅关注中位粒径D(50)的传统做法，运用灰色关联分析和多维物理建模揭示了流变参数之间的机制转换模式。屈服应力和塑性粘度主要受特征粒径D(3,2)的控制。屈服应力的变化遵循“比表面积–水膜厚度–颗粒间吸引力”的路径，而塑性粘度则遵循“粒径分布–堆积密度–碰撞能量耗散”的动力学路径。屈服应力主要受表面力的影响，而塑性粘度主要受堆积密度的控制，这突显了堆积紧凑性对碰撞能量耗散的显著调控作用。触变性主要由D(75)定义的骨架效应控制。矿物颗粒的细化导致分形网络的过度致密化以及化学锚固效应，共同导致触变性能随时间显著下降。本研究从静态表面润滑、颗粒间能量交换和空间骨架效应三个维度阐明了粒径分布（PSD）与流变行为之间的对应关系，从而为在不同工作条件下目标调节水泥基材料的流变性能提供了直观参考。

引言

水泥基材料的流变响应是工作性和微观结构的关键指标，是传统铸造和现代数字制造的基础[1]。在3D混凝土打印[2]、[3]和海底混凝土工程[4]、[5]等先进技术中，屈服应力、塑性粘度和触变性等参数控制着结构演变的核心逻辑[6]。然而，在复杂系统中引入矿物掺合料会引入明显的时间依赖性流变行为[7]，[8]，这对精确施工控制提出了重大挑战。这些行为不仅受单一颗粒特性的影响，还受到多维粒径特性的协同作用（通常是解耦的）的影响。

为了提高水泥基材料的性能和可持续性，人们广泛采用了传统的矿物掺合料（如石灰石[9]、[10]、磨细粒化高炉矿渣[11]、[12]、硅灰[13]、[14]和粉煤灰[15]、[16]），以及新兴的矿物掺合料（包括钢渣[17]、[18]、珊瑚废弃物[19]和钼尾矿粉[20]）。大量研究集中在固相特性——特别是颗粒形态[21]和PSD[22]如何影响凝结时间[23]、[24]、水化动力学[25]、微观结构性能[26]和机械强度[27]。人们普遍认为，颗粒细度决定了浆体的致密性[28]、吸水性以及颗粒间的相互作用[29]，最终决定了流动阻力[30]。Hosseini等人[31]确定了一个特征粒径参数X'，表示63.2%的颗粒可以通过该筛孔的粒径。较小的X'值意味着较短的稠化时间，表明颗粒尺寸的减小会阻碍自由流动。Dai等人[32]通过表面吸附和静电排斥作用加入了硅酸钠，抑制了胶体相互作用和颗粒聚集。Sun等人[33]将超细颗粒引入地质聚合物系统，提高了最大堆积密度，并引发了剪切增稠行为以及更高的塑性粘度和屈服应力。然而，目前的理解大多停留在经验观察阶段（例如，“细颗粒导致更高的粘度”），通常将PSD视为一个整体变量。这种简化忽略了不同粒径分数在控制不同流变指标方面的个体化和解耦作用。因此，从整体视角转向多维和机械角度理解PSD对于揭示其背后的物理机制至关重要。

尽管已有这些普遍认知，但仍存在几个关键的科学空白：(1) 大多数研究只关注单一指标（如D(50)或比表面积），未能系统地捕捉完整PSD集中嵌入的多尺度信息。(2) 不同尺寸参数分别调节屈服应力、塑性粘度和触变性的不同物理机制仍不清楚。(3) 从结构角度来看，粒径特性对时间依赖性流变演变的影响尚未得到充分阐明。(4) 缺乏有效的定量工具来分离各种尺寸参数与特定流变指标之间的相关性强度，这阻碍了在复杂数据集中识别关键控制因素。

为了解决这些空白，本研究采用多维颗粒特征视角来研究PSD参数控制水泥-矿渣浆体时间依赖性流变的多尺度机制。通过超越对D(50)的传统依赖，本研究利用灰色关联分析（GRA）来确定每种流变特性的具体驱动因素。屈服应力通过水膜厚度（WFT）和颗粒间吸引力的协同效应进行分析，而塑性粘度的响应则通过分布模量（$n_A$' role="presentation">$n_A$）和碰撞诱导的能量耗散来解释。值得注意的是，触变行为及其时间依赖性的演变（从15分钟到90分钟）主要由粗颗粒骨架区（由D(50)、D(75)和D(90)表示）共同决定。通过分形分析，我们展示了这种粗骨架的耗尽如何导致从长距离絮凝体向紧凑结构的转变，从而随时间导致结构失活。本研究提供了多维颗粒特性与宏观尺度流变之间的可量化联系，为高性能水泥基材料提供了颗粒级别的设计指导。

章节片段

材料及配比

本研究使用的波特兰水泥（C）是美国建材科学院有限公司生产的P. I 42.5参考水泥。其化学成分和矿物组成分别列于表1和表2中，物理性能列于表3中。

使用了五种不同粒径的磨细粒化高炉矿渣粉（SL），所有矿渣粉均被归类为S95，由湖南省湘潭市的一家钢铁厂提供。

流变曲线

图3展示了浆体剪切率与剪切应力之间的关系。图4展示了相应的剪切率-表观粘度曲线。分别在(a)和(b)中展示了15分钟和90分钟时获得的流变曲线。

根据图3和图4的数据，SL的粒径和静置时间都会影响水泥浆体的流变性能。

结论

本研究通过水膜厚度、分布模量和分形维数等定量表征方法，建立了矿渣粉粒径参数与水泥浆体流变行为之间的内在关系。主要结论如下：

• 1)
  屈服应力主要受矿物掺合料的特征粒径D(2, 3)的控制，遵循“比表面积–水膜厚度–…”的物理路径

CRediT作者贡献声明

冯凯文：撰写–原始稿件，正式分析，概念化。丁亚荣：方法论，数据整理。马昆林：撰写–审阅与编辑，调查。何炯光：资源，方法论。龙光成：监督，资源。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢湖南省教育厅重点科研项目（项目编号：24A0030）的支持。