Brookfield博勒飞触屏流变仪RST测试不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响

1 引 言

水泥基灌浆料在建筑土木工程上应用非常广泛 ,起防渗、补强、加固、增强、堵漏的作用。灌浆效果是否优良主要取决于灌浆材料本身和灌浆施工技术 ,为了得到性能优良、满足工程需要的灌浆材料, 需要加入一些外加剂,不同外加剂的引入会改变料浆的流变性能,而灌浆材料流变性能对其灌注效果有直接的影响, 因此研究不同外加剂对浆液的流变性能影响非常有必要。丁庆军等[ 1] 对矿物混合材影响灌浆材料的流变性能进行了研究, Ahmed等[ 2] 研究了灌浆压力对料浆流变性能的影响, Schwarz对超细水泥灌浆料的流变性能的影响因素进行了研究, Eriksson等[ 3] 通过研究料浆的流变性能来建立可灌性模型并用于工程上灌注效果的预测。本文主要研究了减水剂、生物胶、缓凝剂、消泡剂复合掺加及不同掺量时对自制灌浆材料的流变性能的影响。

2 实 验

2.1  原材料

(1)灌浆水泥 :自制灌浆水泥 ,其相应化学分析如表 1;

(2)聚羧酸减水剂:黄色粉末状、易溶于水, 20%水溶液 pH值为 6.5～8.5(20℃),密度500 kg/m3;

(3)生物胶:一种典型的假塑性流体, 其溶液粘度随剪切速率的增加而明显降低 。1%水溶液 pH为 7.0～ 9.5(20 ℃)。图 1为实验用生物胶分子结构示意图;    

(4)缓凝剂:白色颗粒, 化学分子式 C6H8 O7· H2 O;    

(5)消泡剂:非离子型表面活性剂 ,亲水基是非离子的极性基-羟基和醚基。  

2.2  试验仪器

美国 Brookfield公司生产的 R/S-SST型流变仪 ,测试系统采用 V40-20-3to1桨式转子 ,并利用 Rheo2000软件进行数据分析处理。

2.3  试验方法

所有试验中水泥 400 g、聚羧酸减水剂 4 g、水灰比 (W/C)为 0.3、其它外加剂按不同要求掺入,充分混匀后采用净浆搅拌机快速搅拌 3 min。然后进行流变性能测试。

(1)变化剪切速率测试 :在 180 s内使剪切速率从 0 s-1增加到 200 s-1。测试不同料浆表观粘度随剪切速率的变化 ;

(2)恒定剪切速率测试 :分别在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下测试料浆的表观粘度的变化与时间的关系 ,测试时间为 180 s;

(3)触变性测试:在 180 s内使剪切速率从 0 s-1增加到 200 s-1 , 然后在相同时间内从从 200 s-1降至 0 s-1 , 测试剪切应力随剪切速率的关系;

(4)生物胶掺量 (0.0‰、0.02‰、0.06‰、0.10‰)变化对料浆流变性能影响试验中, 其中缓凝剂掺量为5‰、未掺消泡剂;在未加消泡剂 、生物胶掺量为 0.06‰时 ,研究缓凝剂掺量 (5‰、7‰、10‰、12‰)变化对料浆流变性能影响 ;固定生物胶掺量为 0.06‰、缓凝剂掺量为 7‰条件下,消泡剂掺量 (0‰、1‰、2‰、3‰、4‰)变化对浆体的流变性能影响。所有掺量均按水泥质量来计。

3 结果及讨论

3.1  剪切速率变化对料浆表观粘度的影响

图 2至图 4表征出在不同掺量下不同外加剂掺入时料浆表观粘度与剪切速率的关系曲线 ,浆体表现为剪切变稀,且随着剪切速率的增加,料浆的表观粘度趋于稳定。总体来看,浆体为时变性非牛顿流体[ 4] 。

从图 2中可知 ,随着生物胶的掺量增加,料浆的初始粘度随之增大 ,但是随着剪切速率继续增至 100 s-1 后 ,料浆表观粘度几乎保持不变 ,趋于一致。从其分子结构式看 ,由于其氢健存在于聚合物链上的两个糖苷环之间 ,导致溶液体系粘度明显增大 ,使其能更好地粘附在物质表面, 使整个溶液体系产生一种大范围的桥式效应 ,从而增大屈服值, 具有较强的增稠、增塑作用[ 5] 。但在高剪切速率下 ,聚合体结构解聚为无规则线团结构，使粘度迅速降低, 即表现为剪切速率大于 100 s-1时 ,不同掺量生物胶的料浆表观粘度基本相同。

由图 3可见,随着缓凝剂掺量的增加,料浆的屈服应力呈递增趋势,但是在剪切速率的变化范围区间 (60但是在剪切速率的变化范围区间 (60～ 150)s-1内 ,缓凝剂掺量较大时其料浆粘度反而较小。这是由于缓凝剂本身具有一种增粘的性能 ,但它又能有效的阻止水泥遇水产生的絮凝结构[ 6, 7] ,这种絮凝结构主要是由水泥水化产生的[ 8] 。随着剪切速率的进一步增大 ,水泥所产生的这种絮凝结构基本被剪切破坏,所 以表现出在剪切速率大于 150s -1时, 不同掺量缓凝剂的浆液表现出粘度基本相同。

从图 4中可以得出,消泡剂的引入,浆液的初始粘度有所增大, 但没有呈现与消泡剂掺量的正比关系。这是由于聚羧酸减水剂的加入, 伴随着引入一定量的气泡[ 9] , 这些微细气泡被减水剂定向吸附而形成的分子膜所包围, 并带有与水泥质点吸附膜相同符号的电荷 ,因而气泡与水泥颗粒间产生电性斥力 ,从而增加了水泥颗粒间的滑动能力[ 10] 。当掺加消泡剂时会破坏这种效果[ 11] , 从而使浆液的粘度有所提高。

3.2  恒定剪切速率下时间与浆体表观粘度的关系

在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下,生物胶、缓凝剂、消泡剂的掺量变化分别对粘度随时间的影响结果如图 5 ～图 7。

浆体粘度随时间的变化取决于浆体微观结构絮凝速率与剪切分散速率之间的相对大小 ,其微观结构的絮凝速率则取决于水泥的水化速度[ 6] 。图 5中, 因为其它条件都是相同的, 所以水泥的水化速度基本相同,即浆体微观结构的絮凝速率可以认为相同 ,那么浆体的粘度随时间的变化规律就取决于剪切分散速率与生物胶的掺量。在 5 s-1较低的剪切速率下 ,浆体微观结构剪切分散速率小于浆体微观结构絮凝速率 ,所以表现出来浆体粘度随着时间的增长粘度呈微上升趋势。在 20 s-1较高的剪切速率下, 从开始的剪切变稀后粘度随时间的延长趋于稳定 ,并没有随时间的推移而表现出粘度增加的现象。 

从图 6a可以看出, 随着缓凝剂掺量的增加粘度呈上升的趋势, 只有掺量在 5‰时的结果与图 5a中的结果相似 ,其余均随着时间的延长 ,粘度趋于稳定 ,这进一步说明了缓凝剂能够在剪切变稀后 ,有效地减小浆体微观结构絮凝速率,且这种阻止效果与掺量有关。这与图 3所得出的结果也相符合。

从图 7 中还可以看出, 随着消泡剂掺入量的增大,料浆的粘度增大 ,在较低的剪切速率下表现的更为明显。与图 4 中测试的结果基本相同。  

3.3  不同掺量以及不同外加剂对浆液触变性影响

在相同的测试条件下 ,生物胶、缓凝剂、消泡剂的掺量变化分别对料浆触变性的影响结果如图 8、图 9、图10所示。

料浆的触变性可以用触变曲线所围的面积表示,面积越大触变性越强。从图 8 ～图 10 中分别可以看出 ,随着生物胶掺量的增加可以减小料浆的触变性能;缓凝剂同样可以减小料浆的触变性能 ;消泡剂表现出相反的结果。

触变性能能够很好的反映出新拌水泥浆体内部结构的变化[ 12] , 上升阶段随着剪切速率的增加, 从 3.1节可知其剪切应力也随着增加, 所以是一个剪切破坏的过程。料浆内部颗粒间相互作用力越强其浆液越稳定 ,在其上升阶段时在相同剪切速率下转子所遇到的阻力越大,浆体的微观结构越难破坏。可见生物胶和缓凝剂都对料浆的稳定性有好处, 但是从前面的试验可以得出这两种物质对料浆的粘度都有贡献作用, 且都与掺量有关 ,所以在应用过程中要取长补短充分考虑其掺量的控制。掺加消泡剂后 ,能降低气泡的表面张力 ,所以在剪切过程中 ,料浆的内部结构易于破坏,从而表现出来其与生物胶、缓凝剂对浆液触变性影响效果不一样。

4 结 论

(1)生物胶能明显增加浆体的粘度, 提高浆体的稳定性 ,且在 5 s-1较低的剪切速率下,粘度随着时间的延长而增大 ;

(2)试验中所掺加的缓凝剂本身具有增粘的作用, 对水泥的缓凝作用使得它能够阻止水泥的絮凝结构的形成 ,有效的降低水泥的粘度 ;

(3)生物胶与缓凝剂能够减小料浆的触变性, 消泡剂的作用效果则相反。随着掺量的增加 ,它们的作用效果都有增强的趋势。

参考文献

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[3]ErikssonM,FriedrichM,VorschulzeC.Variationsintherheologyandpenetrabilityofcement-basedgrouts-anexperimentalstudy[ J] .CementandConcreteResearch, 2004, 34:1111-1119.

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