摘要:采用 Brookfield公司生產(chǎn)的 R/S-SST型流變儀, 在固定灌漿料水灰比與減水劑摻量條件下, 分別研究了生物膠、緩凝劑、消泡劑在恒定剪切速率與變化剪切速率下對(duì)灌漿料料漿表觀粘度的影響, 同時(shí)還對(duì)料漿的觸變性進(jìn)行了研究。 結(jié)果表明, 不同條件下測(cè)得的流變曲線均符合 Herschel-bulkey(n<1)的流體模型, 即漿體表征為時(shí)變性非牛頓流體。 剪切速率不同, 外加劑品種及摻量不同, 其粘度隨時(shí)間的變化亦不一樣。 生物膠、緩凝劑對(duì)料漿的觸變性影響與消泡劑對(duì)料漿觸變性影響不同, 前兩者表現(xiàn)為減小料漿的觸變性, 而后者增大料漿的觸變性。

關(guān)鍵詞:水泥灌漿料;流變性能;外加劑;觸變性

中圖分類號(hào):TU525    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A  文章編號(hào):1001-1625(2010)03-0728-06

Eeffectof Different Chemical Admixtures on Rheological

Properties of Cement Based Grouting

HETao1, ZHAOQing-lin1, XUQi-wei2, LIUYuan-qiang2

(1. KeyLaboratoryforSilicateMaterialsScienceandEngineeringofMinistryofEducation, WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China.2.
JiangmenZhongjianScienceTechnologyExploitationCo.LTD, Jiangmen529040, China)

Abstract:Theefectofbiopolymer,setingretarderandantifoamingagentadditionontheapparentviscosityofgroutingpastewithfixedW/Cratioanddosageofsuperplasticizeratdesignedconstantorvariedshearrate,alsoitsthixotropiccharacteristicswasstudiedbymeansofR/S-SSTrheometerproducedbyBrookfieldcompany.ResultsshowedthatrheologicalcurvestestedunderdiferentconditionsalfittheHerschel-Bulkey(n<1)fluidmodel.Inanotherwords,slurycharacterizestobeatimevariantnon-Newtonianfluid.Viscosityofslurrychangesdiferentlyatvariousshearratesorwithadditivesindiferentkindsandquantities.Influencesonthixotropiccharacteristicsofsluryofbiopolymerandsetingretarderalsodiferwiththatfromantifoamingagent.Biopolymerandsetingretarderreducesthethixotropiccharacteristics,whileantifoamingagentenhancesit.

Keywords:cementgrouting;rheologicalbehavior;additive;thixotropiccharacteristics

1 引 言

水泥基灌漿料在建筑土木工程上應(yīng)用非常廣泛 ,起防滲、補(bǔ)強(qiáng)、加固、增強(qiáng)、堵漏的作用。灌漿效果是否優(yōu)良主要取決于灌漿材料本身和灌漿施工技術(shù) ,為了得到性能優(yōu)良、滿足工程需要的灌漿材料, 需要加入一些外加劑,不同外加劑的引入會(huì)改變料漿的流變性能,而灌漿材料流變性能對(duì)其灌注效果有直接的影響, 因此研究不同外加劑對(duì)漿液的流變性能影響非常有必要。丁慶軍等[ 1] 對(duì)礦物混合材影響灌漿材料的流變性能進(jìn)行了研究, Ahmed等[ 2] 研究了灌漿壓力對(duì)料漿流變性能的影響, Schwarz對(duì)超細(xì)水泥灌漿料的流變性能的影響因素進(jìn)行了研究, Eriksson等[ 3] 通過研究料漿的流變性能來建立可灌性模型并用于工程上灌注效果的預(yù)測(cè)。本文主要研究了減水劑、生物膠、緩凝劑、消泡劑復(fù)合摻加及不同摻量時(shí)對(duì)自制灌漿材料的流變性能的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1  原材料

(1)灌漿水泥 :自制灌漿水泥 ,其相應(yīng)化學(xué)分析如表 1;

(2)聚羧酸減水劑:黃色粉末狀、易溶于水, 20%水溶液 pH值為 6.5～8.5(20℃),密度500 kg/m3;

(3)生物膠:一種典型的假塑性流體, 其溶液粘度隨剪切速率的增加而明顯降低 。 1%水溶液 pH為 7.0～ 9.5(20 ℃)。圖 1為實(shí)驗(yàn)用生物膠分子結(jié)構(gòu)示意圖;    

(4)緩凝劑:白色顆粒, 化學(xué)分子式 C6H8 O7· H2 O;    

(5)消泡劑:非離子型表面活性劑 ,親水基是非離子的極性基-羥基和醚基。  

2.2  試驗(yàn)儀器

美國(guó) Brookfield公司生產(chǎn)的 R/S-SST型流變儀 ,測(cè)試系統(tǒng)采用 V40-20-3to1槳式轉(zhuǎn)子 ,并利用 Rheo2000軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2.3  試驗(yàn)方法

所有試驗(yàn)中水泥 400 g、聚羧酸減水劑 4 g、水灰比 (W/C)為 0.3、其它外加劑按不同要求摻入,充分混勻后采用凈漿攪拌機(jī)快速攪拌 3 min。然后進(jìn)行流變性能測(cè)試。

(1)變化剪切速率測(cè)試 :在 180 s內(nèi)使剪切速率從 0 s-1增加到 200 s-1。測(cè)試不同料漿表觀粘度隨剪切速率的變化 ;

(2)恒定剪切速率測(cè)試 :分別在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下測(cè)試料漿的表觀粘度的變化與時(shí)間的關(guān)系 ,測(cè)試時(shí)間為 180 s;

(3)觸變性測(cè)試:在 180 s內(nèi)使剪切速率從 0 s-1增加到 200 s-1 , 然后在相同時(shí)間內(nèi)從從 200 s-1降至 0 s-1 , 測(cè)試剪切應(yīng)力隨剪切速率的關(guān)系;

(4)生物膠摻量 (0.0‰、0.02‰、0.06‰、0.10‰)變化對(duì)料漿流變性能影響試驗(yàn)中, 其中緩凝劑摻量為5‰、未摻消泡劑;在未加消泡劑 、生物膠摻量為 0.06‰時(shí) ,研究緩凝劑摻量 (5‰、7‰、10‰、12‰)變化對(duì)料漿流變性能影響 ;固定生物膠摻量為 0.06‰、緩凝劑摻量為 7‰條件下,消泡劑摻量 (0‰、1‰、2‰、3‰、4‰)變化對(duì)漿體的流變性能影響。所有摻量均按水泥質(zhì)量來計(jì)。

3 結(jié)果及討論

3.1  剪切速率變化對(duì)料漿表觀粘度的影響

圖 2至圖 4表征出在不同摻量下不同外加劑摻入時(shí)料漿表觀粘度與剪切速率的關(guān)系曲線 ,漿體表現(xiàn)為剪切變稀,且隨著剪切速率的增加,料漿的表觀粘度趨于穩(wěn)定。總體來看,漿體為時(shí)變性非牛頓流體[ 4] 。

從圖 2中可知 ,隨著生物膠的摻量增加,料漿的初始粘度隨之增大 ,但是隨著剪切速率繼續(xù)增至 100 s-1 后 ,料漿表觀粘度幾乎保持不變 ,趨于一致。從其分子結(jié)構(gòu)式看 ,由于其氫健存在于聚合物鏈上的兩個(gè)糖苷環(huán)之間 ,導(dǎo)致溶液體系粘度明顯增大 ,使其能更好地粘附在物質(zhì)表面, 使整個(gè)溶液體系產(chǎn)生一種大范圍的橋式效應(yīng) ,從而增大屈服值, 具有較強(qiáng)的增稠、增塑作用[ 5] 。但在高剪切速率下 ,聚合體結(jié)構(gòu)解聚為無規(guī)則線團(tuán)結(jié)構(gòu)，使粘度迅速降低, 即表現(xiàn)為剪切速率大于 100 s-1時(shí) ,不同摻量生物膠的料漿表觀粘度基本相同。

由圖 3可見,隨著緩凝劑摻量的增加,料漿的屈服應(yīng)力呈遞增趨勢(shì),但是在剪切速率的變化范圍區(qū)間 (60但是在剪切速率的變化范圍區(qū)間 (60～ 150)s-1內(nèi) ,緩凝劑摻量較大時(shí)其料漿粘度反而較小。這是由于緩凝劑本身具有一種增粘的性能 ,但它又能有效的阻止水泥遇水產(chǎn)生的絮凝結(jié)構(gòu)[ 6, 7] ,這種絮凝結(jié)構(gòu)主要是由水泥水化產(chǎn)生的[ 8] 。隨著剪切速率的進(jìn)一步增大 ,水泥所產(chǎn)生的這種絮凝結(jié)構(gòu)基本被剪切破壞,所 以表現(xiàn)出在剪切速率大于 150s -1時(shí), 不同摻量緩凝劑的漿液表現(xiàn)出粘度基本相同。

從圖 4中可以得出,消泡劑的引入,漿液的初始粘度有所增大, 但沒有呈現(xiàn)與消泡劑摻量的正比關(guān)系。這是由于聚羧酸減水劑的加入, 伴隨著引入一定量的氣泡[ 9] , 這些微細(xì)氣泡被減水劑定向吸附而形成的分子膜所包圍, 并帶有與水泥質(zhì)點(diǎn)吸附膜相同符號(hào)的電荷 ,因而氣泡與水泥顆粒間產(chǎn)生電性斥力 ,從而增加了水泥顆粒間的滑動(dòng)能力[ 10] 。當(dāng)摻加消泡劑時(shí)會(huì)破壞這種效果[ 11] , 從而使?jié){液的粘度有所提高。

3.2  恒定剪切速率下時(shí)間與漿體表觀粘度的關(guān)系

在 5 s-1 、20 s-1的恒定剪切速率下,生物膠、緩凝劑、消泡劑的摻量變化分別對(duì)粘度隨時(shí)間的影響結(jié)果如圖 5 ～圖 7。

漿體粘度隨時(shí)間的變化取決于漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率與剪切分散速率之間的相對(duì)大小 ,其微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率則取決于水泥的水化速度[ 6] 。圖 5中, 因?yàn)槠渌鼦l件都是相同的, 所以水泥的水化速度基本相同,即漿體微觀結(jié)構(gòu)的絮凝速率可以認(rèn)為相同 ,那么漿體的粘度隨時(shí)間的變化規(guī)律就取決于剪切分散速率與生物膠的摻量。在 5 s-1較低的剪切速率下 ,漿體微觀結(jié)構(gòu)剪切分散速率小于漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率 ,所以表現(xiàn)出來漿體粘度隨著時(shí)間的增長(zhǎng)粘度呈微上升趨勢(shì)。在 20 s-1較高的剪切速率下, 從開始的剪切變稀后粘度隨時(shí)間的延長(zhǎng)趨于穩(wěn)定 ,并沒有隨時(shí)間的推移而表現(xiàn)出粘度增加的現(xiàn)象。

從圖 6a可以看出, 隨著緩凝劑摻量的增加粘度呈上升的趨勢(shì), 只有摻量在 5‰時(shí)的結(jié)果與圖 5a中的結(jié)果相似 ,其余均隨著時(shí)間的延長(zhǎng) ,粘度趨于穩(wěn)定 ,這進(jìn)一步說明了緩凝劑能夠在剪切變稀后 ,有效地減小漿體微觀結(jié)構(gòu)絮凝速率,且這種阻止效果與摻量有關(guān)。這與圖 3所得出的結(jié)果也相符合。

從圖 7 中還可以看出, 隨著消泡劑摻入量的增大,料漿的粘度增大 ,在較低的剪切速率下表現(xiàn)的更為明顯。與圖 4 中測(cè)試的結(jié)果基本相同。  

3.3  不同摻量以及不同外加劑對(duì)漿液觸變性影響

在相同的測(cè)試條件下 ,生物膠、緩凝劑、消泡劑的摻量變化分別對(duì)料漿觸變性的影響結(jié)果如圖 8、圖 9、圖10所示。

料漿的觸變性可以用觸變曲線所圍的面積表示,面積越大觸變性越強(qiáng)。從圖 8 ～圖 10 中分別可以看出 ,隨著生物膠摻量的增加可以減小料漿的觸變性能;緩凝劑同樣可以減小料漿的觸變性能 ;消泡劑表現(xiàn)出相反的結(jié)果。

觸變性能能夠很好的反映出新拌水泥漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化[ 12] , 上升階段隨著剪切速率的增加, 從 3.1節(jié)可知其剪切應(yīng)力也隨著增加, 所以是一個(gè)剪切破壞的過程。料漿內(nèi)部顆粒間相互作用力越強(qiáng)其漿液越穩(wěn)定 ,在其上升階段時(shí)在相同剪切速率下轉(zhuǎn)子所遇到的阻力越大,漿體的微觀結(jié)構(gòu)越難破壞。可見生物膠和緩凝劑都對(duì)料漿的穩(wěn)定性有好處, 但是從前面的試驗(yàn)可以得出這兩種物質(zhì)對(duì)料漿的粘度都有貢獻(xiàn)作用, 且都與摻量有關(guān) ,所以在應(yīng)用過程中要取長(zhǎng)補(bǔ)短充分考慮其摻量的控制。摻加消泡劑后 ,能降低氣泡的表面張力 ,所以在剪切過程中 ,料漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)易于破壞,從而表現(xiàn)出來其與生物膠、緩凝劑對(duì)漿液觸變性影響效果不一樣。

4 結(jié) 論

(1)生物膠能明顯增加漿體的粘度, 提高漿體的穩(wěn)定性 ,且在 5 s-1較低的剪切速率下,粘度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增大 ;

(2)試驗(yàn)中所摻加的緩凝劑本身具有增粘的作用, 對(duì)水泥的緩凝作用使得它能夠阻止水泥的絮凝結(jié)構(gòu)的形成 ,有效的降低水泥的粘度 ;

(3)生物膠與緩凝劑能夠減小料漿的觸變性, 消泡劑的作用效果則相反。隨著摻量的增加 ,它們的作用效果都有增強(qiáng)的趨勢(shì)。

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