基于接觸角的低水膠比水泥漿體干燥收縮影響因素研究

陳國福，宋開偉，張航，石從黎

（1重慶市建筑科學研究院，重慶400015；2重慶建工新型建材有限公司，重慶400015）

基于接觸角的低水膠比水泥漿體干燥收縮影響因素研究

陳國福1，宋開偉1，張航1，石從黎2

（1重慶市建筑科學研究院，重慶400015；2重慶建工新型建材有限公司，重慶400015）

該文介紹了一種基于表面物理化學中薄層滲透原理的水泥基材料接觸角測試方法，結(jié)合Washburn方程x2=（Refft/2η）γ1cosθ，得出了模擬孔溶液對水泥漿體的接觸角，研究了減水劑和礦物摻合料對水泥凈漿接觸角和干燥收縮的影響，結(jié)果表明：接觸角越大液體越不易浸潤毛細孔孔壁，孔中液相表面張力越小引起的毛細孔壓力越小，干燥收縮越小，反之亦然。

水泥基材料；干燥收縮；薄層滲透；接觸角

0 引言

接觸角又稱潤濕角，當液體在固體表面形成液滴達到平衡時，在氣、液、固三相交界點處，沿氣-液界面切線與固-液界面之間的夾角為接觸角θ[1]。接觸角是一種量化硬化水泥石內(nèi)部毛細孔壁親水性的重要指標[2]。眾所周知，水泥混凝土的收縮開裂性質(zhì)是影響其耐久性的重要因素，目前對于水泥石收縮機理研究存在很多爭論，其中“毛細管張力學說”是公認的經(jīng)典理論[3]。根據(jù)Laplace方程△P=2δcosθ/γ可知，當水泥石毛細孔半徑相同時，毛細管出現(xiàn)彎液面的附加壓力大小主要取決于液相的表面張力以及液相與孔壁之間的接觸角[4]，表面張力可以測得，而目前關于接觸角的測試鮮有報道。因此，有必要運用接觸角表征方法探索水泥石收縮的機理和主要影響因素。

本文借鑒了表面物理化學中薄層滲透法的基本原理[5]，經(jīng)過大量的前期試驗，研究了預接觸、水膠比、粉末粒徑、懸浮液濃度、粉末載體、滴加方式等對接觸角測試的影響，經(jīng)過不斷優(yōu)化分析確定了水泥基材料接觸角測試方法，結(jié)合Washburn方程[6]x2=（Refft/2η）γ1cosθ，實現(xiàn)了孔隙水對水泥漿體的接觸角定量計算，并采用該方法研究了減水劑和礦物摻合料對水泥凈漿接觸角和干燥收縮的影響。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：基準水泥。外加劑：重慶三圣特種建材有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑（PCA）、氨基磺酸鹽減水劑（JM）、萘系減水劑（FDN），重慶建研科之杰有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑（Piont-400s），重慶正泰化工有限公司生產(chǎn)的木鈣減水劑（MG）。水：蒸餾水。粉煤灰（FA）：珞璜Ⅱ級灰。礦粉（SL）：睿亮S95級。硅灰（SF）：重慶錦藝硅材料有限公司生產(chǎn)的高純硅灰。模擬孔溶液：采用NaOH、KOH溶液配制[7]。

1.2 配合比

研究了減水劑和礦物摻合料對水泥凈漿接觸角的影響，每組成型4個40×40×160mm試件，3個測收縮，1個測接觸角。摻減水劑水泥凈漿配比見表1，水膠比0.30，每種外加劑有效固摻量相同，摻礦物摻合料水泥凈漿配比見表2，水膠比0.35，粉煤灰摻量為20%、40%，礦粉摻量50%、70%，硅灰摻量5%、10%。

表1 摻不同種類減水劑水泥凈漿配合比

1.3 接觸角試驗方法

1.3.1 試驗原理

根據(jù)Washburn方程的定義，它可以描述液體水平傳導時傳導距離與傳導時間的關系[8]。

表2 摻不同礦物摻合料水泥凈漿配合比

式中x為液體前緣前進的距離，R為薄板的有效半徑，t為滲透時間，η為液體粘度，γl為液體的表面張力，θ為接觸角。20℃時，η乙醇：1.2cp，η孔溶液：3.6cp，η水：1.0cp，γ乙醇：22.4mN/m，γ孔溶液：69.0mN/m，γ水：72.0mN/m。

試驗采用低表面張力的液體作滲透液，在滲透前讓薄板與其蒸氣預接觸，以形成雙重膜，確保θ=0°[9]，滲透距離x2與時間t的增長呈線性關系，從而計算出滲透等效半徑Refft。每塊板的板參數(shù)Refft已知，進而利用其它液體在已知R的薄板上作滲透液即可測得液體對板的接觸角[10]。

1.3.2 試驗過程

接觸角測試裝置示意圖見圖1。首先，將水泥凈漿粉磨過3μm篩，配制質(zhì)量濃度為5%的懸浮液，采用滴管滴加液體于載玻片并烘干。然后，將載玻片置于密閉容器中與待測液體飽和蒸汽預接觸24h。最后，使液體表面與板平行，將薄板與脫脂棉輕微接觸，并同時開始計時，記錄液體滲透前緣到達不同距離時所需要的時間。

圖1 薄層滲透法測接觸角裝置示意圖

1.4 收縮試驗方法

水泥凈漿試體尺寸為40mm×40mm×160mm，試體脫模后測原長，直接入溫度為（20±2）℃，相對濕度為（60±5）%的恒溫恒濕室，在規(guī)定齡期測量變形，測量儀器采用水泥混凝土干燥收縮快速測量儀，精度0.001mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水劑的影響

測試了摻減水劑水泥凈漿14d干燥收縮和接觸角。參見表3、表4。

表3 摻減水劑水泥凈漿接觸角試驗結(jié)果

表4 摻減水劑水泥凈漿干燥收縮試驗結(jié)果（×10-6）

由表3可以看出，不論摻加何種減水劑，dx2-dt線性相關，孔溶液對水泥凈漿的接觸角均在20°～40°之間，水泥凈漿表現(xiàn)為親水性，不同配比水泥凈漿接觸角由大到小依次排列為PCA、Piont-400s、FDN、MG、JM、基準，摻聚羧酸減水劑后水泥凈漿接觸角增大，親水性降低，萘系減水劑對水泥凈漿親水性影響較小，不摻減水劑水泥凈漿接觸角最小，親水性最好。由表4可以看出，相應齡期不同配比水泥凈漿的干燥收縮由大到小排列為基準、JM、MG、FDN、Piont-400s、PCA，接觸角增大趨勢與干燥收縮減小趨勢相同，說明在減水劑對孔隙水表面張力、毛細孔半徑影響有限的條件下，其改變了毛細孔壁的接觸角，即親水性，與不摻減水劑的水泥石相比，毛細孔中的溶液更不容易浸潤孔壁使θ增大，θ越大毛細孔中液相表面張力就越小，引起的毛細孔壓力就越小，干縮越小。

2.2 礦物摻合料的影響

測試了水泥凈漿14d干燥收縮和接觸角。參見表5、表6。

由表5可以看出，乙醇和孔溶液對水泥凈漿的滲透距離-時間線性相關，孔溶液對水泥凈漿接觸角在20°～40°。水泥凈漿表現(xiàn)為親水性，不同配比水泥凈漿接觸角由大到小依次排列為FA40%、FA20%、基準、SL50%、SL70%、SF5%、SF10%，摻粉煤灰后，水泥凈漿接觸角增大，親水性降低，且FA摻量越高接觸角增大越明顯，摻礦粉、硅灰后，接觸角減小，親水性增高，且二者摻量越高接觸角減小越明顯。由表6可以看出，相應齡期不同配比水泥凈漿的干燥收縮由大到小排列為SF10%、SF5%、SL70%、SL50%、基準、FA20%、FA40%，接觸角增大趨勢與干燥收縮減小趨勢相同，說明在礦物摻合料對孔隙水表面張力、毛細孔半徑影響有限的條件下，其改變了毛細孔壁的接觸角，即親水性，θ越大毛細孔中液相表面張力就越小，引起的毛細孔壓力就越小，干縮越小。

表5 摻礦物摻合料水泥凈漿接觸角試驗結(jié)果

表6 摻減水劑水泥凈漿干燥收縮試驗結(jié)果（×10-6）

3 結(jié)論

采用薄層滲透法檢測模擬孔溶液對水泥凈漿的接觸角，在恒溫密閉條件下樣品平均等效半徑大，普遍大于200nm，滲透速率快，滲透前緣顯著均勻，滲透距離x2與時間t的發(fā)展呈線性關系，測得接觸角在20°～40°間，符合水泥漿體親水的宏觀現(xiàn)象。水泥凈漿中摻加減水劑、粉煤灰后模擬孔溶液對水泥凈漿的接觸角增大，相應齡期的干燥收縮減小，摻加礦粉、硅灰呈相反趨勢，且礦物摻合料隨摻量增加接觸角增大或減小更為明顯。經(jīng)對相應齡期水泥凈漿接觸角與干燥收縮的分析表明：水泥凈漿干燥收縮與接觸角的變化趨勢相反，接觸角θ越大，液體越不易浸潤毛細孔孔壁，孔中液相表面張力越小引起的毛細孔壓力越小，干燥收縮越小，反之亦然。

[1]P.M.Costanzo，W.Wu，R.F.Giese，Jr，and C.J.van Oss.Comparison between Direct Contact Angle Measurements and Thin Layer Wicking on Synthetic Monosized Cuboid Hematite Particles[J].Langmuir 1996，11：1827-1830.

[2]朱翳佳.減水劑對水泥混凝土干燥收縮作用機理的研究[D].北京:中國建筑材料科學研究總院，2006.

[3]繆昌文，田倩，劉加平，等.基于毛細管負壓技術測試混凝土最早期的自干燥效應[J].硅酸鹽學報，2007，35（4）：509-515.

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Study on Influential Factors of Drying Shrinkage of Contact Angle-based Cement Paste with Low Water-binder Ratio

Test methods for contact angle of cement-based material based on surface physical chemical thin-layer wicking theory are introduced and, combined with Washburn equation x2=（Refft/2η）γ1cosθ,the contact angle of cementpaste to the analog hole solution is obtained.The impactof water reducer and mineraladmixtures on cementpaste contactangle and drying shrinkage is studied.The results showe thatthe larger the contactangle is,the harder liquid infiltrates the capillary wall,the smaller the surface tension of the liquid in the hole is,the smaller the pressure caused by pores is,the smallerthe drying shrinkage is,and vice versa.

cement-based materials;drying shrinkage;thin-layer wicking;contactangle

A

1671-9107（2014）09-0053-03

基金論文：該論文為重慶市自然科學基金項目（項目編號：cstc2013jjA50010）和重慶市科委應用開發(fā)項目（項目編號：cstc2013yykfA0153）論文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.09.053

2014-04-09

陳國福（1972-），男，重慶人，研究生，高級工程師，主要從事建筑材料及地基基礎研究。