羥乙基甲基纖維素對水泥砂漿流變性能的影響

羥乙基甲基纖維素對水泥砂漿流變性能的影響

 

李從林1，徐建民2，王培銘1，張國防1

（1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；

2.山東凝易固砂漿科技有限公司，淄博 255022）

 

研究了羥乙基甲基纖維素（HEMC）粘度變化、改性與否以及摻量變化等因素對新拌水泥砂漿屈服應力和塑性粘度的影響。對于未改性的HEMC，粘度越大，砂漿屈服應力和塑性粘度反而越低；改性HEMC的粘度變化對砂漿流變性能的影響有所減弱；無論改性與否，HEMC粘度越大，對砂漿屈服應力和塑性粘度發展的延緩作用越明顯。HEMC摻量大于0.3%時，砂漿屈服應力和塑性粘度均隨其摻量的增加而增大；HEMC摻量較大時，砂漿屈服應力隨時間延長而降低，塑性粘度隨時間增長的幅度提高。

 

 

 

隨著砂漿施工技術的發展，機械化施工越來越受到重視，長距離垂直輸送對泵送砂漿提出了新的要求：整個泵送過程中須保持良好的流動性。這就需要研究砂漿流動性的影響因素和制約條件，而常用的方法是觀察砂漿的流變學參數。

 

砂漿的流變學性質主要取決于原材料的性質和用量。纖維素醚是一種廣泛應用于產業化砂漿中的外加劑，其對砂漿的流變性能有很大的影響，因而國內外學者對此進行了一些研究。歸納起來有如下結論：纖維素醚摻量增加會導致砂漿初始扭矩增加，但攪拌一段時間之后，砂漿流動阻力反而降低[1]；在初始流動度基本相同的情況下，砂漿的流動度損失先減小后增大[2]；砂漿屈服強度和塑性粘度呈現出先降低后升高的趨勢，纖維素醚促進了砂漿結構的破壞且延長了破壞至重建的時間 [3]；纖維素醚比淀粉醚和稠化粉具有更高的粘度和穩定性等[4]。然而，上述研究仍有不足之處：

 

不同學者測量標準和程序不統一，試驗結果無法準確比較；儀器測試范圍有限，所測砂漿流變性參數變化范圍較小，不具有廣泛代表性；缺乏對不同粘度的纖維素醚進行對比試驗；試驗影響因素較多，重復性不好等。近年來，Viskomat XL砂漿流變儀的出現為精確測定砂漿流變性能提供了極大方便，具有自動化控制水平高、容量大、測試范圍廣、試驗結果更符合實際情況等優點。本文在使用該型儀器的基礎上，綜合已有學者的研究結果，制定測試程序，研究了不同種類和粘度的羥乙基甲基纖維素（HEMC）在更大摻量范圍內對砂漿流變性能的影響。

 

 

自從流變學被引入水泥與混凝土科學以來，大量研究表明新拌混凝土與砂漿可以看作賓漢姆流體，Banfill進一步闡述了用賓漢姆模型描述砂漿流變性能的可行性[5]。賓漢姆模型的流變學方程τ＝τ0+μγ中，τ是剪切應力，τ0是屈服應力，μ是塑性粘度，γ是剪切速率。其中τ0和μ是兩個最重要的參數：τ0是能使水泥砂漿產生流動的最小剪切應力，只有作用于砂漿的τ>τ0時，砂漿才能產生流動；μ反應了砂漿流動時粘滯阻力的大小，μ越大，砂漿流動越慢[3]。τ0和μ均未知的情況下，必須測試至少兩個不同剪切速率下的剪切應力，才能將其計算出來 [6]。

 

在給定的砂漿流變儀中，也可通過設定槳葉轉動速率N和測量砂漿剪切阻力產生的扭矩T獲得的N-T曲線，來計算符合賓漢姆模型的另外一個方程T=g+Nh的兩個參數g和h。g正比于屈服應力τ0，h正比于塑性粘度μ，且τ0 = (K/G)g,μ = ( l / G ) h , 這里的G為與儀器有關的常數，K可以通過與已知流變特性隨剪切速率變化規律的流體進行校正計算得到[7]。為方便起見，本文直接對g和h進行討論，以g、h的變化規律反映砂漿屈服應力和塑性粘度的變化規律。

 

 

 

 

山鋁水泥公司生產的42.5強度等級普通硅酸鹽水泥，物理性質如表1所示，化學組成如表2所示。
 

表1 水泥的物理性質

 

表2 水泥的化學組成（%）
 

 

石英砂：粗砂為20-40目，中砂為40-70目，細砂為70-100目，將三者按比例2:2:1混合使用。

 

陶氏公司生產的羥乙基甲基纖維素HEMC20（粘度為20000 mPa·s）、HEMC25（粘度為25000 mPa·s）、HEMC40（粘度為40000 mPa·s）、及HEMC45（粘度為45000 mPa·s），其中HEMC25與HEMC45為改性纖維素醚。

 

自來水。

 

 

灰砂比采用1:2.5，用水量固定為水泥用量的60%，HEMC的摻量為水泥用量的0~1.2%。

 

先將準確稱量的水泥、HEMC和石英砂混合均勻，再按GB/T17671-1999加入拌合水攪拌，接著用Viskomat XL砂漿流變儀測試。測試程序為：第0~5min速度由0快速升至80rpm，5~7min速度為60rpm，7~9min速度為40rpm，9~11min速度為20rpm，11~13min速度為10rpm，13~15min速度為5rpm，15~30min速度為0rpm，以后每30min按上述程序循環一次，總共測試120min。具體測試程序如圖1所示。

 

圖1 攪拌程序控制示意圖

 

 

 

圖2和圖3顯示了砂漿g值、h值隨HEMC粘度的變化（HEMC的摻量均為水泥質量的0.5%），相應地反映了砂漿屈服應力、塑性粘度的變化規律。從中可以看出，盡管HEMC40的粘度大于HEMC20，但摻加HEMC40砂漿屈服應力和塑性粘度均低于摻加HEMC20砂漿；雖然HEMC45粘度比HEMC25高80%，但砂漿屈服應力反而略低，塑性粘度在90min后才有所增加。這是因為，纖維素醚粘度越大，溶解速率越慢，用其配制的砂漿達到最終粘度所需的時間更長[8]。另外，在試驗中的同一時刻，摻加HEMC40砂漿的體積密度低于摻加HEMC20砂漿，摻HEMC45的低于摻HEMC25的，說明HEMC40、HEMC45引入了更多的氣泡，而氣泡在砂漿中具有“滾珠”效應，這也降低了砂漿流動阻力。

 

從圖2、圖3中也可以看出摻加不同粘度HEMC后砂漿屈服應力、塑性粘度隨時間的變化情況：

 

摻加HEMC40后，砂漿屈服應力在60min后處于平衡狀態，塑性粘度有所增加；摻加HEMC20后，砂漿屈服應力在30min后達到平衡，塑性粘度有所增加。說明HEMC40對砂漿屈服應力和塑性粘度發展的延緩作用大于HEMC20，達到最終粘度所需時間更長。

 

摻加HEMC45砂漿屈服應力在0-120min內一直降低，塑性粘度在90min后出現增加；而摻加HEMC25砂漿屈服應力在90min后有所增加，塑性粘度在60min后出現增加。說明HEMC45對砂漿屈服應力和塑性粘度發展的延緩作用較HEMC25大，達到最終粘度所需時間也更長。

 

圖2 砂漿g值與HEMC粘度及時間的關系

 

圖3 砂漿h值與HEMC粘度及時間的關系

 

4.2 HEMC摻量對水泥砂漿屈服應力的影響

 

在測試過程中，影響砂漿屈服應力的因素有：砂漿分層與泌水、攪拌對結構的破壞、水化產物的生成、砂漿中游離水分的減少以及纖維素醚的緩凝作用等。對于纖維素醚的緩凝作用，較為普遍接受的觀點是用外加劑的吸附作用來解釋。

 

圖4顯示了砂漿g值和HEMC40摻量的關系，g值的變化反映了砂漿屈服應力的變化規律。從中可以看出，摻加HEMC40且其摻量小于0.3%時，砂漿屈服應力隨著HEMC40摻量的增加而逐漸減?。划擧EMC40摻量大于0.3%時，砂漿屈服應力逐漸增大。不摻加纖維素醚的砂漿由于泌水和分層，集料之間沒有足夠的水泥漿體起到潤滑作用，導致屈服應力增大而難于流動。適量摻加纖維素醚能夠有效改善砂漿分層現象，且引入的氣泡相當于微小“滾珠”，能夠減小砂漿屈服應力，使其易于流動。隨著纖維素醚摻量增大，其固定的水分含量也逐漸增大，當纖維素醚摻量超過一定值時，游離水分減小的影響開始起主導作用，砂漿屈服應力因而逐漸增大。

 

從圖4中也可以看出砂漿屈服應力隨時間的變化。HEMC40摻量小于0.3%時，砂漿屈服應力在0-120min內是逐漸減小的，這主要是與砂漿分層越來越嚴重有關，因為槳葉和儀器底部有一定距離，分層后集料沉入底部，上部阻力變??；HEMC40摻量為0.3%時，砂漿幾乎不會出現分層，纖維素醚的吸附作用有限，水化作用占優勢地位，屈服應力有一定上升；HEMC40摻量為0.5%-0.7%時，纖維素醚的吸附作用逐漸增大，水化速率隨之降低，砂漿屈服應力發展趨勢開始轉變；HEMC40摻量大于0.7%時，纖維素醚大量吸附在未水化化合物表面，水化速率較低，砂漿屈服應力隨時間降低。

 

圖4 砂漿g值與HEMC40摻量及時間的關系

 

4.3 HEMC摻量對水泥砂漿塑性粘度的影響

圖5顯示了砂漿h值和HEMC40摻量的關系，h值的變化反映了砂漿塑性粘度的變化規律。從中可以看出，摻加HEMC40后，砂漿塑性粘度隨著HEMC40摻量的增加而逐漸增大。這是因為纖維素醚具有增稠作用，可以增加液體的粘性，且摻量越大，砂漿粘度越大。摻入0.1% HEMC40后砂漿塑性粘度之所以較不摻時降低，同樣是因為引入氣泡的“滾珠”效應，再加上降低了砂漿的泌水與分層。

 

從圖5中也可以看出摻加HEMC40砂漿塑性粘度隨時間的變化。未摻加纖維素醚的普通砂漿塑性粘度隨時間增加而逐漸減小，同樣和砂漿分層導致上部密度變小有關；HEMC40摻量為0.1%-0.5%時，砂漿結構比較均勻，30min后砂漿塑性粘度變化不大，此時主要體現的是纖維素醚自身的粘度效應；HEMC40摻量大于0.7%以后，砂漿塑性粘度隨時間的增加而逐漸升高，這是因為砂漿粘度也與纖維素醚的溶解特性有關，纖維素醚溶液的粘度在開始拌合以后的一段時間內是逐漸提高的，摻量越大，隨時間增加的效果越顯著。

 

圖5 砂漿h值與HEMC40摻量及時間的關系

 

 

HEMC的粘度變化、改性與否以及摻量變化等因素會顯著影響砂漿的流變性能，可以通過屈服應力和塑性粘度這兩個參數來反映。

 

對于未改性的HEMC，粘度越大，在0-120min內砂漿屈服應力和塑性粘度也越低；改性HEMC的粘度變化對砂漿流變性能的影響較未改性HEMC有所減弱；無論改性與否，HEMC粘度越大，對砂漿屈服應力和塑性粘度發展的延緩作用越顯著。