駱文進(jìn)，王麗英

(重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院土木工程系，重慶 400072)

0 引 言

新拌水泥基材料是一種由多種物相組成的懸浮分散體系[1]。水泥漿體在早期階段通常被認(rèn)為是黏塑性流體，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，漿體的流動(dòng)性逐漸減弱直至最后凝結(jié)硬化為固體。混凝土的工作性可以采用流變性來(lái)表征[2-3]。通過(guò)流變學(xué)的相關(guān)參數(shù)，比如屈服應(yīng)力和塑性黏度，可以預(yù)測(cè)水泥漿體在新拌階段的流變行為[4-6]。早期的研究認(rèn)為，新拌水泥漿體屬于Bingham模型，即剪切應(yīng)力與剪切速率之間呈近似線性的增長(zhǎng)關(guān)系。然而隨著研究的深入，研究者們逐漸發(fā)現(xiàn)，在某些條件下水泥漿體的黏度隨著剪切速率的增長(zhǎng)而有所增大或減小，即存在明顯的剪切增稠或剪切稀化現(xiàn)象[7-8]。此時(shí)通過(guò)Bingham模型不能夠很好地表征漿體流變參數(shù)。

目前，許多學(xué)者圍繞聚合物改性水泥基材料開(kāi)展了相關(guān)研究。乳膠粉是預(yù)拌砂漿中的一種不可或缺的重要組分，它對(duì)改善砂漿和易性具有重要作用[9]。同時(shí)乳膠粉也可以運(yùn)用在自流平砂漿當(dāng)中，它既可以改善流動(dòng)性能，也可以防止?jié){體出現(xiàn)離析泌水等不良現(xiàn)象[10]。王培銘等[11]通過(guò)對(duì)砂漿減水率、含氣量、保水率和力學(xué)強(qiáng)度等測(cè)試發(fā)現(xiàn)，乳膠粉具有一定減水和保水作用，并且乳膠粉的摻入提高了水泥砂漿的抗折和黏結(jié)抗拉強(qiáng)度。與此同時(shí)，同樣屬于聚合物的纖維素醚已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在水泥砂漿中[12-13]。纖維素醚對(duì)砂漿的主要貢獻(xiàn)在于其顯著提高了砂漿的保水性和稠度，確保砂漿在新拌階段具有良好的工作性。歐志華等[14]認(rèn)為，纖維素醚的摻入增大了水泥漿的黏度，并且與純水泥漿體類似，纖維素醚改性水泥漿體也表現(xiàn)出剪切稀化的性質(zhì)。上述已有研究成果表明，可分散乳膠粉和纖維素醚的摻入均可以改善水泥漿體的黏結(jié)性和保水性。雖然目前針對(duì)纖維素醚改性水泥漿體的相關(guān)研究較多，但對(duì)于乳膠粉和纖維素醚復(fù)摻對(duì)水泥漿體的改性作用仍然較少。因此，本文從纖維素醚改性水泥漿體的流變特性出發(fā)，研究了乳膠粉對(duì)纖維素醚改性水泥漿體流變性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

采用的水泥為基準(zhǔn)水泥P·I 42.5水泥，可再分散乳膠粉(PP)和羥丙基甲基纖維素醚(HPMC)均為山東宸邦精細(xì)化工有限公司提供，其性能指標(biāo)如表1和表2所示。為了提高漿體在新拌時(shí)刻的流動(dòng)性，在原配合比的基礎(chǔ)上添加一定量的高效減水劑，類型為聚羧酸高效減水劑(SP)，減水率為23.7%。

表1 可再分散乳膠粉性能Table 1 Properties of redispersible polymer powder

表2 纖維素醚性能Table 2 Properties of cellulose ether

本試驗(yàn)采用的配合比如表3所示。每組的水膠比均控制為0.4，同時(shí)摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的減水劑和纖維素醚。當(dāng)乳膠粉摻量大于2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，漿體流動(dòng)度較小，此時(shí)如將漿體倒入流變儀筒內(nèi)，漿體不能夠較好地均勻分布在筒內(nèi)空間?？紤]到上述情況，本試驗(yàn)分別摻入水泥質(zhì)量0.5%、1%、1.5%、2%的乳膠粉，以及一組不摻乳膠粉的漿體作為對(duì)照組。

表3 摻入乳膠粉的纖維素醚改性水泥凈漿配合比Table 3 Mix proportion of HPMC modified cement paste with PP

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流變測(cè)試

采用Anton Paar MCR 302型流變儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試轉(zhuǎn)子為槳式轉(zhuǎn)子，內(nèi)徑和外徑分別為22 mm和42 mm。測(cè)試條件為溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度(70±3)%。先將粉體倒入凈漿攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬?，再加入水和減水劑，慢速攪拌90 s，靜停10 s后快速攪拌90 s。隨后，將攪拌完成的漿體倒入流變儀內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。流變測(cè)試制度為剪切速率由1 s-1對(duì)數(shù)增大至200 s-1，測(cè)試點(diǎn)數(shù)量為30，相鄰測(cè)試點(diǎn)的時(shí)間間隔為3 s。

1.2.2 流變參數(shù)

流變參數(shù)主要包括屈服應(yīng)力和黏度兩個(gè)參數(shù)。通常而言，新拌水泥漿體可以近似采用Bingham模型來(lái)表征，然而考慮到漿體可能表現(xiàn)出剪切增稠或剪切稀化等特性，這里采用Herschel-Bulkey模型[15]來(lái)進(jìn)行參數(shù)擬合，其表達(dá)式如式(1)所示。

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力，Pa；τ0為屈服應(yīng)力，Pa；K為黏度系數(shù)，Pa·sn；γ為剪切速率，s-1；n為流變指數(shù)，當(dāng)n>1時(shí)漿體表現(xiàn)為剪切增稠，當(dāng)n<1時(shí)為剪切稀化。

1.2.3 觸變性

由觸變性的定義可知，觸變性通常包含兩個(gè)方面：(1)結(jié)構(gòu)可逆的變化，即當(dāng)流體受剪切時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生擾動(dòng)，而消除剪切力后，結(jié)構(gòu)能逐漸恢復(fù)；(2)流體受剪切后，黏度隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低。因此，本研究的觸變性采用觸變滯后環(huán)法和三段式測(cè)試法兩種方法進(jìn)行。觸變滯后環(huán)法是在原有剪切制度的基礎(chǔ)上增加一個(gè)恒定剪切速率的測(cè)試段(200 s-1速率保持30 s)和一個(gè)剪切速率逐漸下降的測(cè)試段(200 s-1降為1 s-1)，測(cè)試其形成的觸變環(huán)面積。三段式測(cè)試法為一開(kāi)始加載一個(gè)較小的剪切速率(0.1 s-1)，隨后加載一個(gè)較大的剪切速率(100 s-1)，最后采用和第一段相同的速率來(lái)研究其結(jié)構(gòu)恢復(fù)過(guò)程。

2 結(jié)果與討論

2.1 流變曲線

圖1為摻入乳膠粉的纖維素醚改性水泥漿體的剪切應(yīng)力-剪切速率曲線和黏度-剪切速率曲線。在新拌水泥漿體中，水泥顆粒并非以單個(gè)粒子的形態(tài)分散在懸浮液中，而是在多種粒間相互作用下形成部分絮凝結(jié)構(gòu)[16]。添加不同種類的礦物摻合料或者聚合物可能對(duì)粒間作用以及絮凝結(jié)構(gòu)的形成造成一定影響。由圖1可知，摻入纖維素醚和乳膠粉的復(fù)合漿體在測(cè)試段內(nèi)均表現(xiàn)為剪切稀化，即黏度隨著剪切速率的增大逐漸減小，在1～50 s-1內(nèi)，該減小趨勢(shì)更為明顯。乳膠粉的摻入增大了漿體在相同剪切速率下的剪切應(yīng)力，且當(dāng)乳膠粉摻量大于1%時(shí)，剪切段內(nèi)各剪切應(yīng)力值顯著增大。

圖1 摻入乳膠粉的纖維素醚改性水泥漿體的流變曲線Fig.1 Rheological curves of HPMC modified cement paste with PP

2.2 屈服應(yīng)力

在新拌階段，多數(shù)水泥復(fù)合漿體表現(xiàn)為具有一定屈服應(yīng)力的流體，即漿體在受到外界剪切作用時(shí)，水泥漿體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)能夠抵抗有限的應(yīng)力，在此應(yīng)力范圍之內(nèi)，漿體不發(fā)生流動(dòng)行為；然而當(dāng)應(yīng)力超過(guò)該臨界值時(shí)，漿體在宏觀上表現(xiàn)出流動(dòng)性[17]。圖2為乳膠粉摻量對(duì)漿體屈服應(yīng)力的影響。由圖2可知,隨著乳膠粉摻量的增大，漿體屈服應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)乳膠粉摻量由0%增至1%時(shí)，屈服應(yīng)力由5.173 Pa增加至10.914 Pa；而當(dāng)乳膠粉摻量由1%增至2%后，漿體屈服應(yīng)力繼續(xù)增大到28.757 Pa，增幅為163.5%；當(dāng)乳膠粉摻量大于1%后，屈服應(yīng)力隨乳膠粉摻量的增長(zhǎng)更為顯著。

圖2 乳膠粉摻量對(duì)漿體屈服應(yīng)力的影響Fig.2 Effect of PP content on yield stress of paste

圖3 乳膠粉摻量對(duì)漿體黏度系數(shù)的影響Fig.3 Effect of PP content on viscosity coefficient of paste

2.3 黏度系數(shù)

圖3為乳膠粉摻量對(duì)漿體黏度系數(shù)的影響。該黏度系數(shù)是基于Herschel-Bulkey模型的擬合參數(shù)，因此與Bingham模型的塑性黏度相似，該參數(shù)也能夠一定程度上反映漿體的黏度變化情況[18]。與未摻乳膠粉的復(fù)合漿體相比，摻入0.5%乳膠粉的漿體黏度系數(shù)無(wú)顯著變化，而當(dāng)乳膠粉摻量繼續(xù)增大，黏度系數(shù)隨乳膠粉摻量的增長(zhǎng)近似表現(xiàn)為線性關(guān)系。隨乳膠粉摻量增加，黏度系數(shù)逐漸增大，這可能是由乳膠粉對(duì)水的吸附性導(dǎo)致的[19]。乳膠粉摻量的增加使得漿體內(nèi)更多的自由水被其吸附，水泥漿體中作為分散介質(zhì)的自由水含量有所減小，漿體顆粒的體積分?jǐn)?shù)有所增加；同時(shí)乳膠粉可填充在水泥漿體薄膜中，使?jié){體內(nèi)部網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加致密，從而導(dǎo)致漿體屈服應(yīng)力和塑性黏度增大。

2.4 觸變性

圖4為摻入乳膠粉的復(fù)合漿體觸變滯后環(huán)，各配合比下的滯后環(huán)面積如圖5所示。通過(guò)對(duì)比圖4中的上行下行曲線可知，當(dāng)乳膠粉摻量較小(摻量為0%和1%)時(shí)，上行曲線表現(xiàn)為剪切稀化，同時(shí)下行曲線的剪切應(yīng)力則表現(xiàn)為近似線性的下降趨勢(shì)。而當(dāng)乳膠粉摻量為2%時(shí)，上行曲線和下行曲線均表現(xiàn)為剪切稀化，漿體的假塑性更為顯著。通過(guò)對(duì)各組漿體觸變滯后環(huán)的面積對(duì)比可知，乳膠粉的摻入增大了漿體觸變環(huán)面積，且乳膠粉摻量越大，觸變環(huán)面積越大。

圖4 復(fù)合漿體的觸變滯后環(huán)Fig.4 Thixotropic hysteresis loop of composite pastes

圖5 乳膠粉摻量對(duì)觸變滯后環(huán)面積的影響Fig.5 Effect of PP content on thixotropic hysteresis loop area

圖6為采用三段式測(cè)試法得到的黏度隨測(cè)試時(shí)間的變化情況，漿體在受剪切破壞后結(jié)構(gòu)恢復(fù)率隨乳膠粉摻量的變化如圖7所示。由于結(jié)構(gòu)恢復(fù)率是第三段測(cè)試末(120 s)的黏度和第一段測(cè)試末(30 s)的黏度之比，該比值越高，漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在相同時(shí)間下的結(jié)構(gòu)恢復(fù)速率越快，觸變性越強(qiáng)。由圖6可知，對(duì)于摻入不同摻量乳膠粉和纖維素醚的復(fù)合漿體，黏度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)接近。在剪切速率為0.1 s-1的第一段，黏度隨時(shí)間緩慢增長(zhǎng)，在30 s處達(dá)到最大值；當(dāng)剪切速率增大至100 s-1時(shí)，黏度下降顯著且在第二個(gè)測(cè)試段內(nèi)繼續(xù)下降；當(dāng)剪切速率恢復(fù)至0.1 s-1后，黏度迅速恢復(fù)并且恢復(fù)速率隨時(shí)間逐漸放緩。由圖7可知，不同乳膠粉摻量的漿體結(jié)構(gòu)恢復(fù)率分別為84.39%、85.62%、88.33%、91.17%、93.86%。各配合比下漿體在受外部剪切破壞后，60 s以內(nèi)黏度均能恢復(fù)至破壞前的85%以上，且隨著乳膠粉摻量的增大，漿體結(jié)構(gòu)恢復(fù)速率越快。

圖6 漿體的黏度隨時(shí)間的變化Fig.6 Changes of paste viscosity with time

圖7 漿體的結(jié)構(gòu)恢復(fù)率隨乳膠粉摻量的變化Fig.7 Changes of structure recovery rate of paste with PP content

2.5 流變參數(shù)與觸變性的關(guān)系

圖8 復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和觸變滯后環(huán)面積的關(guān)系Fig.8 Relationship between yield stress and thixotropic hysteresis loop area of composite paste

圖8為復(fù)合漿體屈服應(yīng)力和觸變滯后環(huán)面積的關(guān)系。通過(guò)對(duì)屈服應(yīng)力和滯后環(huán)面積的擬合結(jié)果可知，二者存在較為顯著的正向線性關(guān)系，直線擬合的相關(guān)系數(shù)為0.996 5。屈服應(yīng)力和觸變性都是漿體內(nèi)部存在空間連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。在摻入乳膠粉和纖維素醚的復(fù)合漿體中，分散的水泥顆粒通過(guò)靜電作用形成連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得漿體在未受到外界剪切力時(shí)的黏度增大，提高了漿體的正觸變性。同時(shí)屈服應(yīng)力也是漿體在受到一定剪切作用下由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)榱鲃?dòng)時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，屈服應(yīng)力越大，漿體需要更大的剪切力才能使其流動(dòng)，觸變環(huán)上行段的各剪切應(yīng)力值越大，因此觸變環(huán)面積越大。乳膠粉摻量的增大能同時(shí)提高漿體的屈服應(yīng)力和觸變性。

3 結(jié) 論

(1)摻入乳膠粉的纖維素醚改性水泥漿體流變曲線服從Herschel-Bulkey模型的變化趨勢(shì)，且均表現(xiàn)為假塑性流體。在剪切速率為1～50 s-1的測(cè)試段內(nèi)，復(fù)合漿體黏度下降較為顯著。

(2)隨著乳膠粉摻量的增大，復(fù)合漿體的屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)均有所增大。當(dāng)乳膠粉摻量由1%增至2%時(shí)，漿體屈服應(yīng)力和黏度系數(shù)增長(zhǎng)更為顯著。

(3)采用觸變滯后環(huán)法和三段式觸變測(cè)試法得到的漿體觸變性表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)。隨著乳膠粉摻量的增加，觸變滯后環(huán)面積和結(jié)構(gòu)恢復(fù)率均逐漸增大，當(dāng)乳膠粉摻量達(dá)到2%時(shí)，滯后環(huán)面積增長(zhǎng)顯著。

(4)摻入乳膠粉和纖維素醚的水泥漿體屈服應(yīng)力和觸變環(huán)面積呈正向線性關(guān)系，乳膠粉摻量的增大使得漿體內(nèi)部空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為致密，同時(shí)提高了漿體的屈服應(yīng)力和觸變性。