不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁BULLETINOFTHECHINESECERAMICSOCIETY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁June,2010󰀁󰀁

硅󰀁酸󰀁盐󰀁通󰀁报

不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能的影响

何󰀁涛,赵青林,徐奇威,刘源强

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2

(1.武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,武汉󰀁430070;2.广东省江门市中建科技开发有限公司,江门󰀁529040)

摘要:采用Brookfield公司生产的R/S-SST型流变仪,在固定灌浆料水灰比与减水剂掺量条件下,分别研究了生物胶、缓凝剂、消泡剂在恒定剪切速率与变化剪切速率下对灌浆料料浆表观粘度的影响,同时还对料浆的触变性进行了研究。结果表明,不同条件下测得的流变曲线均符合Hersche-lbulkey(n<1)的流体模型,即浆体表征为时变性非牛顿流体。剪切速率不同,外加剂品种及掺量不同,其粘度随时间的变化亦不一样。生物胶、缓凝剂对料浆的触变性影响与消泡剂对料浆触变性影响不同,前两者表现为减小料浆的触变性,而后者增大料浆的触变性。关键词:水泥灌浆料;流变性能;外加剂;触变性中图分类号:TU525

文献标识码:A

󰀁

󰀁

文章编号:1001-1625(2010)03-0728-06

EeffectofDifferentChemicalAdmixturesonRheological

PropertiesofCementBasedGrouting

HETao,ZHAOQing-lin,XUQi-wei,LIUYuan-qiang

1

1

2

2

(1.KeyLaboratoryforSilicateMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation,WuhanUniversityofTechnology,

Wuhan430070,China.2.JiangmenZhongjianScienceTechnologyExploitationCo.LTD,Jiangmen529040,China)

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

Abstract:Theeffectofbiopolymer,settingretarderandantifoamingagentadditionontheapparentviscosityofgroutingpastewithfixedW/Cratioanddosageofsuperplasticizeratdesignedconstantorvariedshearrate,alsoitsthixotropiccharacteristicswasstudiedbymeansofR/S-SSTrheometer

producedbyBrookfieldcompany.ResultsshowedthatrheologicalcurvestestedunderdifferentconditionsallfittheHersche-lBulkey(n<1)fluidmode.lInanotherwords,slurrycharacterizestobeatimevariantnon-Newtonianfluid.Viscosityofslurrychangesdifferentlyatvariousshearratesorwithadditivesindifferentkindsandquantities.Influencesonthixotropiccharacteristicsofslurryofbiopolymerandsetting

retarderalsodifferwiththatfromantifoamingagen.tBiopolymerandsettingretarderreducesthethixotropiccharacteristics,whileantifoamingagentenhancesi.t

Keywords:cementgrouting;rheologicalbehavior;additive;thixotropiccharacteristics

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

基金项目:广东省江门市江海区科学技术局科技计划项目(江海科[2008]21号);武汉市科技计划项目(No.200860423208)作者简介:何󰀁涛(1985-),男,硕士.主要从事生态建筑材料方面的研究.E-mai:lhchange@lsina.com

󰀁第3期何󰀁涛等:不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能影响

[2]

󰀁729

能进行了研究,Ahmed等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

[3]

的影响因素进行了研究,Eriksson等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500kg/m;

(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C6H8O7󰀁H2O;

(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。

3

表1󰀁水泥化学成分

Tab.1󰀁Chemicalcompositionofcement

CaO52.75

SiO217.07

Al2O317.51

Fe2O32.78

SO36.

MgO1.09

fCaO-1.02

Loss1.24

wt%

图1󰀁生物胶分子结构示意图

Fig.1󰀁Schematicillustrationofmolecularstructureofbiopolymer

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400g、聚羧酸减水剂4g、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3min。然后进行流变性能测试。

(1)变化剪切速率测试:在180s内使剪切速率从0s增加到200s。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5s、20s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180s;

-1-1-1

(3)触变性测试:在180s内使剪切速率从0s增加到200s,然后在相同时间内从从200s降至0s,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-1

-1

-1

-1

-1

󰀁730试验与技术硅酸盐通报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第29卷

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󰀁不同生物胶掺量时料浆表观粘度与剪切速率的关系Fig.2󰀁Relationshipbetweenviscosityandshearratewith

differentamountofbiopolymerinslurry

图3󰀁不同缓凝剂掺量时料浆表观粘度与剪切速率的关系Fig.3󰀁Relationshipbetweenviscosityandshearratewith

differentamountofsettingretarderinslurry

󰀁󰀁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]

。

-1

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100s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

-1

团结构,使粘度迅速降低,即表现为剪切速率大于100s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(60~150)s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主要是由水泥水化产生的

[8]

[6,7]

-1

,这种絮凝结构

。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

-1

以表现出在剪切速率大于150s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]

图4󰀁不同消泡剂掺量时料浆表观粘度与剪切速率的关系Fig.4󰀁Relationshipbetweenviscosityandshearratewith

differentamountofantifoamingagentinslurry

,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

[10]

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

[11]

这种效果,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

-1

-1

。当掺加消泡剂时会破坏

在5s、20s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

󰀁第3期何󰀁涛等:不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能影响󰀁731

图5~图7。

图5󰀁不同掺量生物胶料浆表观粘度与时间的关系(a)剪切速率5s-1(b)剪切速率20s-1

Fig.5󰀁Relationshipbetweenviscosityandtimewithdifferentamountofbiopolymerinslurry

图6󰀁不同掺量缓凝剂料浆表观粘度与时间的关系(a)剪切速率5s-1(b)剪切速率20s-1Fig.6󰀁Relationshipbetweenviscosityandtimewithdifferentamountofsettingretarderinslurry

图7󰀁不同掺量消泡剂料浆表观粘度与时间的关系(a)剪切速率5s-1(b)剪切速率20s-1Fig.7󰀁Relationshipbetweenviscosityandtimewithdifferentamountofantifoamingagentinslurry

󰀁󰀁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。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

-1

物胶的掺量。在5s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

-1

现出来浆体粘度随着时间的增长粘度呈微上升趋势。在20s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[6]

󰀁732试验与技术硅酸盐通报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第29卷

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。

图8󰀁不同掺量生物胶对料浆触变性的影响Fig.8󰀁Influenceofdifferentamountofbiopolymeronthe

thixotropiccharacteristicsoftheslurry

Fig.9󰀁

图9󰀁不同掺量缓凝剂对料浆触变性的影响Influenceofdifferentamountofsettingretarderonthe

thixotropiccharacteristicsoftheslurry

󰀁󰀁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

[12]

构的变化,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。

图10󰀁不同掺量消泡剂对料浆触变性的影响Fig.10󰀁Influenceofdifferentamountofantifoamingagentonthethixotropiccharacteristicsoftheslurry

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5s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。

-1

󰀁第3期何󰀁涛等:不同外加剂对水泥基灌浆材料流变性能影响󰀁733

参

[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]

考文献

丁庆军,管学茂,胡曙光.混合材对超细灌浆水泥流变性能的影响[J].长江科学院院报,2002,19(2):23-37.AhmedRM,TakachNE,KhanUM.Rheologyoffoamedcement[J].CementandConcreteResearch.2009,39:353-361.

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

WilliamsDA,SaakAW,JenningsHM.Theinfluenceofmixingontherheologyoffreshcementpaste[J].CementandConcreteResearch,1999,29:1491-1496.

KhayatKH,YahiaA.Effectofwelangum-highrangewaterreducercombinationsonrheologyofcementgrout[J].ACIMaterialJournal,1997,94(5):365-372.

王发洲,王󰀁涛,胡曙光,等.CA砂浆的流变特性[J].武汉大学学报(工学版),2008,41(4):69-72.

张德成,张󰀁鸣,肖传明,等.外加剂相容性及其对混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2006,25(4):162-167.

吴丹琳,王培铭.水泥水化过程计算机模拟研究-CEMHYD3D系统分析与模拟实现[J].材料导报,2007,21(4):100-103.

顾󰀁军.聚羧酸减水剂在水泥自流平中的应用研究[A].2008第三届(中国)国际建筑干混砂浆生产应用技术研讨会论文集[C]:277-280.

寇英鹭,赵󰀁冰,邱󰀁红,等.聚羧酸系高性能减水剂的作用机理与发展现状[J].辽宁科技大学学报,2009,32(3):233-236.绿川雅之,三富敏,铃木大介,等.各种引气剂以及抑泡剂对混凝土经时变化状态等的影响[J].混凝土,2009,233(3):70-72.

WallevikJE.Thixotropicinvestigationoncementpaste:Experimentalandnumericalapproach[J].J.Non-NewtonianFluidMech,2005,132(1-3):86-99.

󰀁信󰀁󰀁息󰀁

美国科学家发明新型纳米管超级电容器

美国麻省理工学院(MIT)电磁与电子系统研究所(LEES)在第十五届双层电容器与混合能量存储器件国际研讨会上介绍了他们发明的一种纳米管超级电容器,它将成为传统电池的替代产品。参加这项研究的有电机工程与计算机科学(EECS)教授、LEES副主任JoelE.Schindall、EECS教授、LEES主任JohnG.Kassakian,博士生RiccardoSignorelli等人。

电容器是一种利用电场来储存能量的器件,比利用化学反应储能的电池效率更高。超级电容器是基于普通电容器技术的储能单元设计的,但它瞬间存储能量与释放能量的速度要比普通电容器快得多。超级电容器一般用于交通工具的燃料电池,为交通工具的加速和爬坡提供能量。但是,相对于储存相同能量的电池来说,超级电容器的体积要大得多。

尽管20世纪60年代就有超级电容器了,但是一直非常昂贵,直到最近才能生产出一些在价格上有竞争力的产品。超级电容器已经在从计算机到汽车等领域得到了广泛的应用。尽管超级电容器具有很多优点(比如:使用寿命长、不受温度影响、抗撞击力强、充放电效率高),但从物理学角度上说,它受到了电极表面积和电极间距的,因而储能容量只有同等大小的锂电池储能容量的25分之一。LEES新发明的超级电容器通过原子水平上的电场储能,解决了超级电容器储能容量小的问题。研究人员利用垂直排列的单壁碳纳米管储能,它们的直径只有头发丝直径的三万分之一。超级电容器的储能容量正比于电极的表面积,现在的超级电容器用活性碳作电极,活性碳上有很多孔,所以表面积很大。但是碳上孔的尺寸和形状都不规则,所以降低了效率。LEES的超级电容器中,垂直排列的碳纳米管具有规则的形状,宽度也只有几个原子直径那么大。因此这种超级电容器的电极表面积得到了很大的提高,这也意味着提高了储能容量。另外,这种新型纳米管超级电容器的形状可以做成任何形状,并能够用传统的技术进行生产。