基于液橋理論對(duì)高強(qiáng)度混凝土降粘性的機(jī)理研究

劉石山 陳靈聰

湖南科之杰新材料有限公司

1 引言

隨著建筑技術(shù)發(fā)展，建筑新技術(shù)愈來愈多運(yùn)用到新的領(lǐng)域，比如在地面建造出超高層建筑，在水面建造出建筑物其他可靠平臺(tái)，甚至在海洋的深處，開始建造大型的建筑物、結(jié)構(gòu)體等等，隨著時(shí)代發(fā)展的要求，越來越多的嚴(yán)苛條件，比如跨江、跨海、隧道、峽谷、深海等，都需要堅(jiān)硬的支撐，較高含量的載荷。因此，隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)混凝土的質(zhì)量，性能包括強(qiáng)度、壽命等，甚至制作的新工藝、新方法，都提出了較高的要求[1-3]。

高標(biāo)號(hào)混凝土，由此順應(yīng)時(shí)代產(chǎn)生，其主要為等級(jí)強(qiáng)度，為C60及以上的混凝土。高標(biāo)號(hào)混凝土，目前是混凝土材料研究的比重較高的發(fā)展方向之一，其具有，高強(qiáng)度、硬度高、凝結(jié)快、密實(shí)性高、均質(zhì)性高等特點(diǎn)。高標(biāo)號(hào)混凝土的使用，既可以降混凝土結(jié)構(gòu)自身的重量減輕，也可以降混凝土內(nèi)部構(gòu)件截面尺寸降低，達(dá)到節(jié)省資源和節(jié)省能源的效果等[4]。

高標(biāo)號(hào)混凝土，主要原材料，采用水泥、粗骨料、細(xì)骨料、礦物摻合料、拌合養(yǎng)護(hù)用水等一定比例混合而成。但是，高標(biāo)號(hào)混凝土，為達(dá)到其超高強(qiáng)度目的的同時(shí)，在混凝土配料時(shí)用水量卻非常低，這樣會(huì)導(dǎo)致新拌的高標(biāo)號(hào)混凝土黏度會(huì)較大，極易造成泵送混凝土的難度增加，泵送的安全事故頻發(fā)。因此，所謂高標(biāo)號(hào)的超高強(qiáng)混凝土，高黏度問題，成為我國施工問題中泵送施工技術(shù)的行業(yè)難題之一。所以，研究如何降低超高強(qiáng)度的混凝土的黏度具有重大的意義[5-8]。

目前，常采用的高標(biāo)號(hào)混凝土黏度降低的方法主要包括：配制一定含量的降粘劑、提升一定摻量的減水劑、配合一定比例的引氣劑及合理分配一定粒徑的顆粒等級(jí)等方法[9-11]。但是，減水劑摻量的改變，一方面，很容易引發(fā)高標(biāo)號(hào)混凝土，出現(xiàn)泌水扒底及過分緩凝等問題；另一方面，會(huì)導(dǎo)致較多成本的投入，性價(jià)比相對(duì)而言較低；引氣劑的摻入，其原理是依據(jù)引入氣泡，減少骨料等大小顆粒間摩擦力，從而降低混凝土的黏度，其很容易對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土強(qiáng)度等產(chǎn)生較多不利的影響；膠材顆粒級(jí)配的優(yōu)化，比如粉煤灰的摻入等，摻合料增加接觸面積，降低高標(biāo)號(hào)混凝土黏度，但對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土的實(shí)際降粘效果，存在一定局限性，并且其不能從根源上解決降粘的問題。近年來，有機(jī)降粘劑及高分子羧基酸試劑不斷衍生，其降粘的效果比較顯著，但對(duì)其機(jī)理性研究鮮有[12]。

2 基于滴定法機(jī)制砂接觸角研究

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品與試劑

郝曉文等發(fā)現(xiàn)，顆粒物間的橋連作用，是顆粒物間黏附力研究的直接對(duì)象，黏度是漿液和固體混合物的表現(xiàn)之一。黏附力影響因素，包括漿液潤濕機(jī)制砂顆粒過程的接觸角，機(jī)制砂主要成分碳酸鈣等鈣基物質(zhì)漿液的黏附力，是高標(biāo)號(hào)混凝土降黏性研究機(jī)理的重要方向。

接觸角是漿液及固態(tài)顆粒物間黏附力研究的主要因素之一，是研究降黏性的理論基礎(chǔ)。以機(jī)制砂主要成分之一的碳酸鈣為例，研究以Compound NO.3 等為例的高分子聚合物作為降粘劑，對(duì)碳酸鈣滴定水泥成分的硅酸鹽成分的接觸角及逆行給你研究。

實(shí)驗(yàn)中選取的潤濕劑為：曲拉通（Triton X-100）和吐溫80（Tween 80），陰離子潤濕劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基硫酸鈉（SDS）和Compound NO.3，質(zhì)量濃度均為0.025%。潤濕劑分別溶解于鈣基懸濁液中，質(zhì)量濃度均為0.025%。潤濕劑分別溶解于鈣基懸濁液中。碳酸鈣懸濁液的濃度為25%。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

潤濕難易通常用接觸角來衡量。接觸角的測(cè)量有多種方法，但本實(shí)驗(yàn)的懸濁漿液中含有大量顆粒，因此只能選擇座滴法[13]。懸濁液潤濕顆粒的圖像通過高速攝像機(jī)錄制并通過量高法測(cè)量。潤濕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 接觸角測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

具體實(shí)驗(yàn)方法為，稱取3.8g硅酸鹽樣品均勻裝入容積為3ml坩堝內(nèi)，并刮平，保證每次實(shí)驗(yàn)坩堝中的灰樣具有相同的堆積密度。配置的鈣基懸濁液在恒溫水浴內(nèi)加熱至38℃后用攪拌器攪拌2分鐘，攪拌均勻且溫度降到30℃時(shí)用移液器迅速將液滴滴在灰樣表面；同時(shí)用高速攝像機(jī)拍攝液滴潤濕灰樣過程。加熱臺(tái)使灰樣溫度始終為30℃。

配置的鈣基懸濁液在恒溫水浴內(nèi)加熱至38℃，用攪拌器將懸濁液均勻攪拌2分鐘，當(dāng)懸濁液溫度降到30℃時(shí)，用移液器迅速將液滴滴在灰樣表面；同時(shí)用高速攝像機(jī)拍攝液滴潤濕灰樣過程。加熱臺(tái)使灰樣溫度始終為30℃。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 各種高分子聚合物對(duì)CaCO3 漿液接觸角影響

從圖2可知，潤濕劑的加入可以顯著降低懸濁液潤濕顆粒物的接觸角，各種鈣基懸濁液濃度在10%左右時(shí)，有最好的潤濕性。但接觸角仍大于90°，屬于難于潤濕范疇。顆粒被潤濕的好壞主要與鈣基懸濁液的酸堿性、膠束的形成以及電荷的分布有關(guān)。而其中，酸堿性是影響顆粒潤濕的主要因素：碳酸鈣漿液呈弱堿性，選用陰離子表面活性劑的效果較好；其他鈣基懸浮液選用非離子表面活性劑的效果較好。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Compound NO.3較好的潤濕顆粒。

3 基于降粘劑混凝土倒坍落流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

混凝土拌合物的坍落度測(cè)試，混凝土倒坍漏空時(shí)間，測(cè)試參照J(rèn)GJ/T 283—2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行[14]。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 降粘劑對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土的倒坍落流動(dòng)時(shí)間影響

圖3 可以看出，沒有降粘劑Compound NO.3 時(shí)，C60 混凝土倒坍落的流動(dòng)時(shí)間較長，約12s 左右；當(dāng)高標(biāo)號(hào)混凝土加降粘劑后，隨降粘劑摻量增加，C60混凝土倒坍落的流動(dòng)時(shí)間會(huì)逐漸降低，降粘劑摻量越高，C60 混凝土倒坍落的流動(dòng)時(shí)間就會(huì)越短。降粘劑Compound NO.3不同摻量對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土倒坍落的流動(dòng)時(shí)間影響，降粘劑在C60 混凝土中的最佳摻量范圍不低于

0.4%[15]。

4 結(jié)論

本文從潤濕水泥主要成分之一的粉煤灰顆粒過程的接觸角，高標(biāo)號(hào)混凝土，機(jī)制砂主要成分碳酸鈣等鈣基物質(zhì)漿液的黏附力，及基于液橋理論的毛細(xì)力角度出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)高分子黏結(jié)劑Compound NO.3 等作為降粘劑，對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土主要成分的降低黏性的機(jī)理進(jìn)行深入分析：

（1）高標(biāo)號(hào)混凝土，黏結(jié)劑機(jī)理是，通過改變混凝土漿液對(duì)機(jī)制砂接觸角，及砂漿中黏附力等改變粘附性。

（2）Compound NO.3 等高分子潤濕劑，可以降低機(jī)制砂表面潤濕情況，改變顆粒物間的黏附能力，同時(shí)通過改變漿液的黏附力，實(shí)質(zhì)性改變其黏性。