乳膠粉摻量對纖維素醚改性水泥漿體流變性能的影響

駱文進，王麗英

(重慶建筑工程職業(yè)學院土木工程系，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為是黏塑性流體，隨著水化反應的進行，漿體的流動性逐漸減弱直至最后凝結硬化為固體?；炷恋墓ぷ餍钥梢圆捎昧髯冃詠肀碚鱗2-3]。通過流變學的相關參數(shù)，比如屈服應力和塑性黏度，可以預測水泥漿體在新拌階段的流變行為[4-6]。早期的研究認為，新拌水泥漿體屬于Bingham模型，即剪切應力與剪切速率之間呈近似線性的增長關系。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]。此時通過Bingham模型不能夠很好地表征漿體流變參數(shù)。

目前，許多學者圍繞聚合物改性水泥基材料開展了相關研究。乳膠粉是預拌砂漿中的一種不可或缺的重要組分，它對改善砂漿和易性具有重要作用[9]。同時乳膠粉也可以運用在自流平砂漿當中，它既可以改善流動性能，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]通過對砂漿減水率、含氣量、保水率和力學強度等測試發(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抗拉強度。與此同時，同樣屬于聚合物的纖維素醚已經(jīng)被廣泛應用在水泥砂漿中[12-13]。纖維素醚對砂漿的主要貢獻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性和保水性。雖然目前針對纖維素醚改性水泥漿體的相關研究較多，但對于乳膠粉和纖維素醚復摻對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)，研究了乳膠粉對纖維素醚改性水泥漿體流變性能的影響。

1 實 驗

1.1 原材料和配合比

采用的水泥為基準水泥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)均為山東宸邦精細化工有限公司提供，其性能指標如表1和表2所示。為了提高漿體在新拌時刻的流動性，在原配合比的基礎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，同時摻入質(zhì)量分數(shù)為0.2%的減水劑和纖維素醚。當乳膠粉摻量大于2%(質(zhì)量分數(shù)，下同)時，漿體流動度較小，此時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 試驗方法

1.2.1 流變測試

采用Anton Paar MCR 302型流變儀進行測試，測試轉子為槳式轉子，內(nèi)徑和外徑分別為22 mm和42 mm。測試條件為溫度(20±2) ℃，相對濕度(70±3)%。先將粉體倒入凈漿攪拌機充分攪拌后，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)進行測試。流變測試制度為剪切速率由1 s-1對數(shù)增大至200 s-1，測試點數(shù)量為30，相鄰測試點的時間間隔為3 s。

1.2.2 流變參數(shù)

流變參數(shù)主要包括屈服應力和黏度兩個參數(shù)。通常而言，新拌水泥漿體可以近似采用Bingham模型來表征，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]來進行參數(shù)擬合，其表達式如式(1)所示。

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ為剪切應力，Pa；τ0為屈服應力，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n>1時漿體表現(xiàn)為剪切增稠，當n<1時為剪切稀化。

1.2.3 觸變性

由觸變性的定義可知，觸變性通常包含兩個方面：(1)結構可逆的變化，即當流體受剪切時結構發(fā)生擾動，而消除剪切力后，結構能逐漸恢復；(2)流體受剪切后，黏度隨時間延長而降低。因此，本研究的觸變性采用觸變滯后環(huán)法和三段式測試法兩種方法進行。觸變滯后環(huán)法是在原有剪切制度的基礎上增加一個恒定剪切速率的測試段(200 s-1速率保持30 s)和一個剪切速率逐漸下降的測試段(200 s-1降為1 s-1)，測試其形成的觸變環(huán)面積。三段式測試法為一開始加載一個較小的剪切速率(0.1 s-1)，隨后加載一個較大的剪切速率(100 s-1)，最后采用和第一段相同的速率來研究其結構恢復過程。

2 結果與討論

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構[16]。添加不同種類的礦物摻合料或者聚合物可能對粒間作用以及絮凝結構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合漿體在測試段內(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力，且當乳膠粉摻量大于1%時，剪切段內(nèi)各剪切應力值顯著增大。

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 屈服應力

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

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

圖3 乳膠粉摻量對漿體黏度系數(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]。與未摻乳膠粉的復合漿體相比，摻入0.5%乳膠粉的漿體黏度系數(shù)無顯著變化，而當乳膠粉摻量繼續(xù)增大，黏度系數(shù)隨乳膠粉摻量的增長近似表現(xiàn)為線性關系。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水的吸附性導致的[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，漿體顆粒的體積分數(shù)有所增加；同時乳膠粉可填充在水泥漿體薄膜中，使?jié){體內(nèi)部網(wǎng)狀結構更加致密，從而導致漿體屈服應力和塑性黏度增大。

2.4 觸變性

圖4為摻入乳膠粉的復合漿體觸變滯后環(huán)，各配合比下的滯后環(huán)面積如圖5所示。通過對比圖4中的上行下行曲線可知，當乳膠粉摻量較小(摻量為0%和1%)時，上行曲線表現(xiàn)為剪切稀化，同時下行曲線的剪切應力則表現(xiàn)為近似線性的下降趨勢。而當乳膠粉摻量為2%時，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。通過對各組漿體觸變滯后環(huán)的面積對比可知，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為采用三段式測試法得到的黏度隨測試時間的變化情況，漿體在受剪切破壞后結構恢復率隨乳膠粉摻量的變化如圖7所示。由于結構恢復率是第三段測試末(120 s)的黏度和第一段測試末(30 s)的黏度之比，該比值越高，漿體內(nèi)部結構在相同時間下的結構恢復速率越快，觸變性越強。由圖6可知，對于摻入不同摻量乳膠粉和纖維素醚的復合漿體，黏度隨時間的變化趨勢接近。在剪切速率為0.1 s-1的第一段，黏度隨時間緩慢增長，在30 s處達到最大值；當剪切速率增大至100 s-1時，黏度下降顯著且在第二個測試段內(nèi)繼續(xù)下降；當剪切速率恢復至0.1 s-1后，黏度迅速恢復并且恢復速率隨時間逐漸放緩。由圖7可知，不同乳膠粉摻量的漿體結構恢復率分別為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)黏度均能恢復至破壞前的85%以上，且隨著乳膠粉摻量的增大，漿體結構恢復速率越快。

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

圖7 漿體的結構恢復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)與觸變性的關系

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

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

3 結 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，且均表現(xiàn)為假塑性流體。在剪切速率為1～50 s-1的測試段內(nèi)，復合漿體黏度下降較為顯著。

(2)隨著乳膠粉摻量的增大，復合漿體的屈服應力和黏度系數(shù)均有所增大。當乳膠粉摻量由1%增至2%時，漿體屈服應力和黏度系數(shù)增長更為顯著。

(3)采用觸變滯后環(huán)法和三段式觸變測試法得到的漿體觸變性表現(xiàn)出相同的變化趨勢。隨著乳膠粉摻量的增加，觸變滯后環(huán)面積和結構恢復率均逐漸增大，當乳膠粉摻量達到2%時，滯后環(huán)面積增長顯著。

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