何 濤1 , 趙青林1 , 徐奇威2 , 劉源強(qiáng)2

(1. 武漢理工大學(xué)硅酸鹽材料工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070;2.廣東省江門(mén)市中建科技開(kāi)發(fā)有限公司, 江門(mén) 529040)

摘要:采用 Brookfield公司生產(chǎn)的 R/S-SST型流變儀, 在固定灌漿料水灰比與減水劑摻量條件下, 分別研究了生物膠、緩凝劑、消泡劑在恒定剪切速率與變化剪切速率下對(duì)灌漿料料漿表觀粘度的影響, 同時(shí)還對(duì)料漿的觸變性進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明, 不同條件下測(cè)得的流變曲線均符合 Herschel-bulkey(n<1)的流體模型, 即漿體表征為時(shí)變性非牛頓流體。 剪切速率不同, 外加劑品種及摻量不同, 其粘度隨時(shí)間的變化亦不一樣。 生物膠、緩凝劑對(duì)料漿的觸變性影響與消泡劑對(duì)料漿觸變性影響不同, 前兩者表現(xiàn)為減小料漿的觸變性, 而后者增大料漿的觸變性。

關(guān)鍵詞:水泥灌漿料;流變性能;外加劑;觸變性

中圖分類(lèi)號(hào):TU525    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1001-1625(2010)03-0728-06

Eeffectof Different Chemical Admixtures on Rheological

Properties of Cement Based Grouting

HETao1, ZHAOQing-lin1, XUQi-wei2, LIUYuan-qiang2

(1. KeyLaboratoryforSilicateMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation, WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China.2.JiangmenZhongjianScienceTechnologyExploitationCo.LTD, Jiangmen529040, China)

Abstract:Theefectofbiopolymer,setingretarderandantifoamingagentadditionontheapparentviscosityofgroutingpastewithfixedW/Cratioanddosageofsuperplasticizeratdesignedconstantorvariedshearrate,alsoitsthixotropiccharacteristicswasstudiedbymeansofR/S-SSTrheometerproducedbyBrookfieldcompany.ResultsshowedthatrheologicalcurvestestedunderdiferentconditionsalfittheHerschel-Bulkey(n<1)fluidmodel.Inanotherwords,slurycharacterizestobeatimevariantnon-Newtonianfluid.Viscosityofslurrychangesdiferentlyatvariousshearratesorwithadditivesindiferentkindsandquantities.Influencesonthixotropiccharacteristicsofsluryofbiopolymerandsetingretarderalsodiferwiththatfromantifoamingagent.Biopolymerandsetingretarderreducesthethixotropiccharacteristics,whileantifoamingagentenhancesit.

Keywords:cementgrouting;rheologicalbehavior;additive;thixotropiccharacteristics

1 引 言

水泥基灌漿料在建筑土木工程上應(yīng)用非常廣泛 ,起防滲、補(bǔ)強(qiáng)、加固、增強(qiáng)、堵漏的作用。灌漿效果是否優(yōu)良主要取決于灌漿材料本身和灌漿施工技術(shù) ,為了得到性能優(yōu)良、滿足工程需要的灌漿材料, 需要加入一些外加劑,不同外加劑的引入會(huì)改變料漿的流變性能,而灌漿材料流變性能對(duì)其灌注效果有直接的影響, 因此研究不同外加劑對(duì)漿液的流變性能影響非常有必要。丁慶軍等[ 1] 對(duì)礦物混合材影響灌漿材料的流變性能進(jìn)行了研究, Ahmed等[ 2] 研究了灌漿壓力對(duì)料漿流變性能的影響, Schwarz對(duì)超細(xì)水泥灌漿料的流變性能的影響因素進(jìn)行了研究, Eriksson等[ 3] 通過(guò)研究料漿的流變性能來(lái)建立可灌性模型并用于工程上灌注效果的預(yù)測(cè)。本文主要研究了減水劑、生物膠、緩凝劑、消泡劑復(fù)合摻加及不同摻量時(shí)對(duì)自制灌漿材料的流變性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1  原材料

(1)灌漿水泥 :自制灌漿水泥 ,其相應(yīng)化學(xué)分析如表 1;

(2)聚羧酸減水劑:黃色粉末狀、易溶于水, 20%水溶液 pH值為 6.5～8.5(20℃),密度500 kg/m3;

(3)生物膠:一種典型的假塑性流體, 其溶液粘度隨剪切速率的增加而明顯降低 。 1%水溶液 pH為 7.0～ 9.5(20 ℃)。圖 1為實(shí)驗(yàn)用生物膠分子結(jié)構(gòu)示意圖;    

(4)緩凝劑:白色顆粒, 化學(xué)分子式 C6H8 O7· H2 O;    

(5)消泡劑:非離子型表面活性劑 ,親水基是非離子的極性基-羥基和醚基。  

2.2  試驗(yàn)儀器

美國(guó) Brookfield公司生產(chǎn)的 R/S-SST型流變儀 ,測(cè)試系統(tǒng)采用 V40-20-3to1槳式轉(zhuǎn)子 ,并利用 Rheo2000軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2.3  試驗(yàn)方法

所有試驗(yàn)中水泥 400 g、聚羧酸減水劑 4 g、水灰比 (W/C)為 0.3、其它外加劑按不同要求摻入,充分混勻后采用凈漿攪拌機(jī)快速攪拌 3 min。然后進(jìn)行流變性能測(cè)試。

(1)變化剪切速率測(cè)試 :在 180 s內(nèi)使剪切速率從 0 s-1增加到 200 s-1。測(cè)試不同料漿表觀粘度隨剪切速率的變化 ;

(2)恒定剪切速率測(cè)試 :分別在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下測(cè)試料漿的表觀粘度的變化與時(shí)間的關(guān)系 ,測(cè)試時(shí)間為 180 s;

(3)觸變性測(cè)試:在 180 s內(nèi)使剪切速率從 0 s-1增加到 200 s-1 , 然后在相同時(shí)間內(nèi)從從 200 s-1降至 0 s-1 , 測(cè)試剪切應(yīng)力隨剪切速率的關(guān)系;

(4)生物膠摻量 (0.0‰、0.02‰、0.06‰、0.10‰)變化對(duì)料漿流變性能影響試驗(yàn)中, 其中緩凝劑摻量為5‰、未摻消泡劑;在未加消泡劑 、生物膠摻量為 0.06‰時(shí) ,研究緩凝劑摻量 (5‰、7‰、10‰、12‰)變化對(duì)料漿流變性能影響 ;固定生物膠摻量為 0.06‰、緩凝劑摻量為 7‰條件下,消泡劑摻量 (0‰、1‰、2‰、3‰、4‰)變化對(duì)漿體的流變性能影響。所有摻量均按水泥質(zhì)量來(lái)計(jì)。

3 結(jié)果及討論

3.1  剪切速率變化對(duì)料漿表觀粘度的影響

圖 2至圖 4表征出在不同摻量下不同外加劑摻入時(shí)料漿表觀粘度與剪切速率的關(guān)系曲線 ,漿體表現(xiàn)為剪切變稀,且隨著剪切速率的增加,料漿的表觀粘度趨于穩(wěn)定。總體來(lái)看,漿體為時(shí)變性非牛頓流體[ 4] 。

從圖 2中可知 ,隨著生物膠的摻量增加,料漿的初始粘度隨之增大 ,但是隨著剪切速率繼續(xù)增至 100 s-1 后 ,料漿表觀粘度幾乎保持不變 ,趨于一致。從其分子結(jié)構(gòu)式看 ,由于其氫健存在于聚合物鏈上的兩個(gè)糖苷環(huán)之間 ,導(dǎo)致溶液體系粘度明顯增大 ,使其能更好地粘附在物質(zhì)表面, 使整個(gè)溶液體系產(chǎn)生一種大范圍的橋式效應(yīng) ,從而增大屈服值, 具有較強(qiáng)的增稠、增塑作用[ 5] 。但在高剪切速率下 ,聚合體結(jié)構(gòu)解聚為無(wú)規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu)，使粘度迅速降低, 即表現(xiàn)為剪切速率大于 100 s-1時(shí) ,不同摻量生物膠的料漿表觀粘度基本相同。

由圖 3可見(jiàn),隨著緩凝劑摻量的增加,料漿的屈服應(yīng)力呈遞增趨勢(shì),但是在剪切速率的變化范圍區(qū)間 (60但是在剪切速率的變化范圍區(qū)間 (60～ 150)s-1內(nèi) ,緩凝劑摻量較大時(shí)其料漿粘度反而較小。這是由于緩凝劑本身具有一種增粘的性能 ,但它又能有效的阻止水泥遇水產(chǎn)生的絮凝結(jié)構(gòu)[ 6, 7] ,這種絮凝結(jié)構(gòu)主要是由水泥水化產(chǎn)生的[ 8] 。隨著剪切速率的進(jìn)一步增大 ,水泥所產(chǎn)生的這種絮凝結(jié)構(gòu)基本被剪切破壞,所 以表現(xiàn)出在剪切速率大于 150s -1時(shí), 不同摻量緩凝劑的漿液表現(xiàn)出粘度基本相同。

從圖 4中可以得出,消泡劑的引入,漿液的初始粘度有所增大, 但沒(méi)有呈現(xiàn)與消泡劑摻量的正比關(guān)系。這是由于聚羧酸減水劑的加入, 伴隨著引入一定量的氣泡[ 9] , 這些微細(xì)氣泡被減水劑定向吸附而形成的分子膜所包圍, 并帶有與水泥質(zhì)點(diǎn)吸附膜相同符號(hào)的電荷 ,因而氣泡與水泥顆粒間產(chǎn)生電性斥力 ,從而增加了水泥顆粒間的滑動(dòng)能力[ 10] 。當(dāng)摻加消泡劑時(shí)會(huì)破壞這種效果[ 11] , 從而使?jié){液的粘度有所提高。

3.2  恒定剪切速率下時(shí)間與漿體表觀粘度的關(guān)系

在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下,生物膠、緩凝劑、消泡劑的摻量變化分別對(duì)粘度隨時(shí)間的影響結(jié)果如圖 5 ～圖 7。

漿體粘度隨時(shí)間的變化取決于漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率與剪切分散速率之間的相對(duì)大小 ,其微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率則取決于水泥的水化速度[ 6] 。圖 5中, 因?yàn)槠渌鼦l件都是相同的, 所以水泥的水化速度基本相同,即漿體微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率可以認(rèn)為相同 ,那么漿體的粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律就取決于剪切分散速率與生物膠的摻量。在 5 s-1較低的剪切速率下 ,漿體微觀結(jié)構(gòu)剪切分散速率小于漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率 ,所以表現(xiàn)出來(lái)漿體粘度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)粘度呈微上升趨勢(shì)。在 20 s-1較高的剪切速率下, 從開(kāi)始的剪切變稀后粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定 ,并沒(méi)有隨時(shí)間的推移而表現(xiàn)出粘度增加的現(xiàn)象。 

從圖 6a可以看出, 隨著緩凝劑摻量的增加粘度呈上升的趨勢(shì), 只有摻量在 5‰時(shí)的結(jié)果與圖 5a中的結(jié)果相似 ,其余均隨著時(shí)間的延長(zhǎng) ,粘度趨于穩(wěn)定 ,這進(jìn)一步說(shuō)明了緩凝劑能夠在剪切變稀后 ,有效地減小漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率,且這種阻止效果與摻量有關(guān)。這與圖 3所得出的結(jié)果也相符合。

從圖 7 中還可以看出, 隨著消泡劑摻入量的增大,料漿的粘度增大 ,在較低的剪切速率下表現(xiàn)的更為明顯。與圖 4 中測(cè)試的結(jié)果基本相同。  

3.3  不同摻量以及不同外加劑對(duì)漿液觸變性影響

在相同的測(cè)試條件下 ,生物膠、緩凝劑、消泡劑的摻量變化分別對(duì)料漿觸變性的影響結(jié)果如圖 8、圖 9、圖10所示。

料漿的觸變性可以用觸變曲線所圍的面積表示,面積越大觸變性越強(qiáng)。從圖 8 ～圖 10 中分別可以看出 ,隨著生物膠摻量的增加可以減小料漿的觸變性能;緩凝劑同樣可以減小料漿的觸變性能 ;消泡劑表現(xiàn)出相反的結(jié)果。

觸變性能能夠很好的反映出新拌水泥漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[ 12] , 上升階段隨著剪切速率的增加, 從 3.1節(jié)可知其剪切應(yīng)力也隨著增加, 所以是一個(gè)剪切破壞的過(guò)程。料漿內(nèi)部顆粒間相互作用力越強(qiáng)其漿液越穩(wěn)定 ,在其上升階段時(shí)在相同剪切速率下轉(zhuǎn)子所遇到的阻力越大,漿體的微觀結(jié)構(gòu)越難破壞。可見(jiàn)生物膠和緩凝劑都對(duì)料漿的穩(wěn)定性有好處, 但是從前面的試驗(yàn)可以得出這兩種物質(zhì)對(duì)料漿的粘度都有貢獻(xiàn)作用, 且都與摻量有關(guān) ,所以在應(yīng)用過(guò)程中要取長(zhǎng)補(bǔ)短充分考慮其摻量的控制。摻加消泡劑后 ,能降低氣泡的表面張力 ,所以在剪切過(guò)程中 ,料漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)易于破壞,從而表現(xiàn)出來(lái)其與生物膠、緩凝劑對(duì)漿液觸變性影響效果不一樣。

4 結(jié) 論

(1)生物膠能明顯增加漿體的粘度, 提高漿體的穩(wěn)定性 ,且在 5 s-1較低的剪切速率下,粘度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大 ;

(2)試驗(yàn)中所摻加的緩凝劑本身具有增粘的作用, 對(duì)水泥的緩凝作用使得它能夠阻止水泥的絮凝結(jié)構(gòu)的形成 ,有效的降低水泥的粘度 ;

(3)生物膠與緩凝劑能夠減小料漿的觸變性, 消泡劑的作用效果則相反。隨著摻量的增加 ,它們的作用效果都有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

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