基于液橋理論對高強度混凝土降粘性的機理研究

劉石山 陳靈聰

湖南科之杰新材料有限公司

1 引言

隨著建筑技術發展，建筑新技術愈來愈多運用到新的領域，比如在地面建造出超高層建筑，在水面建造出建筑物其他可靠平臺，甚至在海洋的深處，開始建造大型的建筑物、結構體等等，隨著時代發展的要求，越來越多的嚴苛條件，比如跨江、跨海、隧道、峽谷、深海等，都需要堅硬的支撐，較高含量的載荷。因此，隨著時代的發展，對混凝土的質量，性能包括強度、壽命等，甚至制作的新工藝、新方法，都提出了較高的要求[1-3]。

高標號混凝土，由此順應時代產生，其主要為等級強度，為C60及以上的混凝土。高標號混凝土，目前是混凝土材料研究的比重較高的發展方向之一，其具有，高強度、硬度高、凝結快、密實性高、均質性高等特點。高標號混凝土的使用，既可以降混凝土結構自身的重量減輕，也可以降混凝土內部構件截面尺寸降低，達到節省資源和節省能源的效果等[4]。

高標號混凝土，主要原材料，采用水泥、粗骨料、細骨料、礦物摻合料、拌合養護用水等一定比例混合而成。但是，高標號混凝土，為達到其超高強度目的的同時，在混凝土配料時用水量卻非常低，這樣會導致新拌的高標號混凝土黏度會較大，極易造成泵送混凝土的難度增加，泵送的安全事故頻發。因此，所謂高標號的超高強混凝土，高黏度問題，成為我國施工問題中泵送施工技術的行業難題之一。所以，研究如何降低超高強度的混凝土的黏度具有重大的意義[5-8]。

目前，常采用的高標號混凝土黏度降低的方法主要包括：配制一定含量的降粘劑、提升一定摻量的減水劑、配合一定比例的引氣劑及合理分配一定粒徑的顆粒等級等方法[9-11]。但是，減水劑摻量的改變，一方面，很容易引發高標號混凝土，出現泌水扒底及過分緩凝等問題；另一方面，會導致較多成本的投入，性價比相對而言較低；引氣劑的摻入，其原理是依據引入氣泡，減少骨料等大小顆粒間摩擦力，從而降低混凝土的黏度，其很容易對高標號混凝土強度等產生較多不利的影響；膠材顆粒級配的優化，比如粉煤灰的摻入等，摻合料增加接觸面積，降低高標號混凝土黏度，但對高標號混凝土的實際降粘效果，存在一定局限性，并且其不能從根源上解決降粘的問題。近年來，有機降粘劑及高分子羧基酸試劑不斷衍生，其降粘的效果比較顯著，但對其機理性研究鮮有[12]。

2 基于滴定法機制砂接觸角研究

2.1 實驗樣品與試劑

郝曉文等發現，顆粒物間的橋連作用，是顆粒物間黏附力研究的直接對象，黏度是漿液和固體混合物的表現之一。黏附力影響因素，包括漿液潤濕機制砂顆粒過程的接觸角，機制砂主要成分碳酸鈣等鈣基物質漿液的黏附力，是高標號混凝土降黏性研究機理的重要方向。

接觸角是漿液及固態顆粒物間黏附力研究的主要因素之一，是研究降黏性的理論基礎。以機制砂主要成分之一的碳酸鈣為例，研究以Compound NO.3 等為例的高分子聚合物作為降粘劑，對碳酸鈣滴定水泥成分的硅酸鹽成分的接觸角及逆行給你研究。

實驗中選取的潤濕劑為：曲拉通（Triton X-100）和吐溫80（Tween 80），陰離子潤濕劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、十二烷基硫酸鈉（SDS）和Compound NO.3，質量濃度均為0.025%。潤濕劑分別溶解于鈣基懸濁液中，質量濃度均為0.025%。潤濕劑分別溶解于鈣基懸濁液中。碳酸鈣懸濁液的濃度為25%。

2.2 實驗系統和方法

潤濕難易通常用接觸角來衡量。接觸角的測量有多種方法，但本實驗的懸濁漿液中含有大量顆粒，因此只能選擇座滴法[13]。懸濁液潤濕顆粒的圖像通過高速攝像機錄制并通過量高法測量。潤濕實驗系統如圖1所示。

圖1 接觸角測量系統簡圖

具體實驗方法為，稱取3.8g硅酸鹽樣品均勻裝入容積為3ml坩堝內，并刮平，保證每次實驗坩堝中的灰樣具有相同的堆積密度。配置的鈣基懸濁液在恒溫水浴內加熱至38℃后用攪拌器攪拌2分鐘，攪拌均勻且溫度降到30℃時用移液器迅速將液滴滴在灰樣表面；同時用高速攝像機拍攝液滴潤濕灰樣過程。加熱臺使灰樣溫度始終為30℃。

配置的鈣基懸濁液在恒溫水浴內加熱至38℃，用攪拌器將懸濁液均勻攪拌2分鐘，當懸濁液溫度降到30℃時，用移液器迅速將液滴滴在灰樣表面；同時用高速攝像機拍攝液滴潤濕灰樣過程。加熱臺使灰樣溫度始終為30℃。

2.3 實驗結果

圖2 各種高分子聚合物對CaCO3 漿液接觸角影響

從圖2可知，潤濕劑的加入可以顯著降低懸濁液潤濕顆粒物的接觸角，各種鈣基懸濁液濃度在10%左右時，有最好的潤濕性。但接觸角仍大于90°，屬于難于潤濕范疇。顆粒被潤濕的好壞主要與鈣基懸濁液的酸堿性、膠束的形成以及電荷的分布有關。而其中，酸堿性是影響顆粒潤濕的主要因素：碳酸鈣漿液呈弱堿性，選用陰離子表面活性劑的效果較好；其他鈣基懸浮液選用非離子表面活性劑的效果較好。實驗發現Compound NO.3較好的潤濕顆粒。

3 基于降粘劑混凝土倒坍落流動性實驗研究

3.1 實驗方法

混凝土拌合物的坍落度測試，混凝土倒坍漏空時間，測試參照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規程》進行[14]。

3.2 實驗結果

圖3 降粘劑對高標號混凝土的倒坍落流動時間影響

圖3 可以看出，沒有降粘劑Compound NO.3 時，C60 混凝土倒坍落的流動時間較長，約12s 左右；當高標號混凝土加降粘劑后，隨降粘劑摻量增加，C60混凝土倒坍落的流動時間會逐漸降低，降粘劑摻量越高，C60 混凝土倒坍落的流動時間就會越短。降粘劑Compound NO.3不同摻量對高標號混凝土倒坍落的流動時間影響，降粘劑在C60 混凝土中的最佳摻量范圍不低于

0.4%[15]。

4 結論

本文從潤濕水泥主要成分之一的粉煤灰顆粒過程的接觸角，高標號混凝土，機制砂主要成分碳酸鈣等鈣基物質漿液的黏附力，及基于液橋理論的毛細力角度出發，通過實驗研究方法，對高分子黏結劑Compound NO.3 等作為降粘劑，對高標號混凝土主要成分的降低黏性的機理進行深入分析：

（1）高標號混凝土，黏結劑機理是，通過改變混凝土漿液對機制砂接觸角，及砂漿中黏附力等改變粘附性。

（2）Compound NO.3 等高分子潤濕劑，可以降低機制砂表面潤濕情況，改變顆粒物間的黏附能力，同時通過改變漿液的黏附力，實質性改變其黏性。