摘要

通過研究不同增稠劑對砂漿流變參數(shù)及氣泡參數(shù)的影響，并結(jié)合砂漿孔溶液性質(zhì)的變化，揭示增稠劑對砂漿中氣泡分布的影響機理。結(jié)果表明，增稠劑顯著降低砂漿的流動度，并提高屈服應(yīng)力和塑性黏度；砂漿的含氣量同時受到砂漿塑性黏度和孔溶液表面張力的影響，其中砂漿塑性黏度與增稠劑溶液的黏度呈正相關(guān)性；當(dāng)砂漿塑性黏度調(diào)整至接近數(shù)值時，具有較大表面張力的增稠劑使砂漿表現(xiàn)出更高的含氣量；同一種增稠劑的摻量越大時，砂漿的塑性黏度越高，含氣量也有所降低，而孔溶液表面張力較低的增稠劑使砂漿含氣量變化幅度較小；氣泡的聚并程度與砂漿塑性黏度整體呈線性負(fù)相關(guān)，采用增稠劑有利于阻礙氣泡的聚并。

引言

清水混凝土技術(shù)自20世紀(jì)20年代面世以來，由于其不需要裝飾和設(shè)計，節(jié)省了建筑涂料和裝飾板等化工原料，且采用一次成型工藝，是一種兼具美觀與環(huán)保的新型混凝土，已逐漸廣泛應(yīng)用于各種建筑與市政工程中。然而，作為高飾面要求的一類特種混凝土，對硬化混凝土的外觀質(zhì)量提出較高的技術(shù)要求。混凝土外觀質(zhì)量問題包括氣孔、色差及局部空洞，其中氣孔問題由于新拌混凝土自身氣泡存在的必然性，是對清水混凝土外觀影響最大且挑戰(zhàn)性較大的癥結(jié)。

造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生氣泡的原因較為復(fù)雜，除了受原材料性能及組成的影響之外，還與外加劑、施工工藝等因素息息相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)混凝土的含氣量取決于水泥基材料的流變性質(zhì)。為提高混凝土中氣泡的穩(wěn)定性，通常采用提高混凝土黏度的方法，阻礙氣泡的排出，在現(xiàn)有的技術(shù)中，可以通過調(diào)整混凝土原材料的配合比、外加劑種類和摻量以及加入增稠劑的方式改變混凝土的黏度。

其中，增稠劑通過吸水、分子纏繞和橋接等作用，提高膠凝體系的凝聚，在較小的摻量下顯著增加水泥基材料的黏度，從而影響氣泡結(jié)構(gòu)分布。增稠劑的種類繁多，根據(jù)其物理作用效果可分為五類：（1）水溶性聚合物，如聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、纖維素醚類，分子結(jié)構(gòu)中存在親水基團(tuán)和長側(cè)鏈，在溶脹作用下表觀體積不斷增大，由此提高拌合水的黏度達(dá)到增稠效果；（2）有機水溶性絮凝材料，如天然橡膠和合成聚電解質(zhì)，借助其與水泥顆粒發(fā)生的吸附作用促進(jìn)顆粒間的橋接，由此提高黏度；（3）有機材料乳液，如丙烯酸乳液，通過有機超細(xì)顆粒吸附膠凝材料增大漿體得黏度；（4）水溶脹性無機材料，如硅灰，主要通過提高漿體的保水能力實現(xiàn)增稠；（5）超細(xì)無機材料，如熟石灰、高嶺土和硅藻土等，依靠微細(xì)顆粒含量的增加提高體系黏度和觸變性。

大部分研究集中關(guān)注增稠劑對漿體黏度的改變對工作性能、力學(xué)性能和凍融性能的影響，而關(guān)于氣泡結(jié)構(gòu)主要聚焦硬化階段。然而，氣泡結(jié)構(gòu)在漿體早期還處于流動狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生遷移，與水溶液中氣泡穩(wěn)定性的情況類似，氣泡在水泥基材料中也會發(fā)生破滅和聚并，這主要是由于液膜排水引起，除了受體系的黏度影響之外，還與氣液界面物理、化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，如表面張力和黏度的變化。由于分子結(jié)構(gòu)的差異性，不同種類的增稠劑對氣泡液膜的物理和化學(xué)性質(zhì)作用將有所不同。此外，由于水泥礦相溶解后，會形成復(fù)雜的離子環(huán)境，影響增稠劑溶液的物理和化學(xué)性質(zhì)。目前關(guān)于水泥基材料中增稠劑的增黏效果和氣泡結(jié)構(gòu)調(diào)控作用已得到證實，但是缺乏從溶液環(huán)境角度揭示新拌階段氣泡穩(wěn)定性的影響機理。

基于以上的分析，本工作選用多種水溶性增稠劑改變砂漿的流變參數(shù)，探討其氣泡結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響，建立流變參數(shù)與氣泡參數(shù)的相關(guān)性，并從孔溶液表面張力和黏度的角度揭示增稠劑對流變參數(shù)和氣泡結(jié)構(gòu)的影響機制。

1原材料與試驗方法

1.1原材料與配合比

試驗采用海螺水泥股份有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其化學(xué)組成與物理性能見表1.

表1水泥的化學(xué)組成與物理性能

試驗采用標(biāo)準(zhǔn)砂，拌合水為自來水，減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，固含量為50%.

本工作采用多種增稠劑對砂漿的黏度進(jìn)行調(diào)整，分別為天然植物多糖類增稠劑（定優(yōu)膠和黃原膠）和合成纖維素醚類增稠劑（羥丙基甲基纖維素醚）兩大類，各自的分子量列于表2中。

表2增稠劑的分子量

1.2試驗方法

1.2.1溶液的準(zhǔn)備

不同濃度的增稠劑溶液：采用增稠劑和去離子水配制不同濃度的溶液，其中DYJ和HYJ分子量較高，溶解性較差，需將去離子水適當(dāng)加熱至50℃，然后緩慢將稱好的增稠劑加入水中，并不停用玻璃攪拌棒進(jìn)行攪拌，直至完全溶解。

砂漿孔溶液：對攪拌后的砂漿進(jìn)行抽濾，獲得一級濾液后再于離心機上以10000r/min的轉(zhuǎn)速離心2min,收集二級離心液，即為砂漿孔溶液。

1.2.2溶液表面張力

采用芬蘭Kibron Delta-8全自動高通量表面張力儀測試不同溶液的表面張力，將不少于30mL的液體倒入測量燒杯中并移動到液面距測量環(huán)2mm處，然后進(jìn)行測試，取7min內(nèi)的多組數(shù)據(jù)平均值。

1.2.3溶液黏度

采用Anton Par公司的MCR 302流變儀CC39轉(zhuǎn)子對溶液黏度進(jìn)行測試，剪切速率為10s?1,連續(xù)測試120s,取平均值為最終的測試值。

1.2.4砂漿的制備

根據(jù)GB/T17671的相關(guān)規(guī)定拌合砂漿，砂漿水灰比為0.40,灰砂比為1∶1.5,減水劑用量為水泥質(zhì)量的0.076%,每組砂漿攪拌時各原材料的用量如表3所示。增稠劑按照設(shè)計摻量提前溶解于拌合水中，然后直接以拌合水的形式加入。

表3砂漿的配合比/g

1.2.5砂漿流變性能

砂漿的流變測試使用Brookfield R/S SST2000流變儀，將測試流動度之后的砂漿立即置于流變儀中，選定設(shè)置好的剪切制度后開始測試，剪切制度設(shè)置如圖1所示。具體過程描述如下：靜置30s后，在剪切速率25s?1下勻速預(yù)剪切60s;然后剪切速率在10s內(nèi)勻速下降至0s?1;靜置60s后，剪切速率以斜坡式在60s內(nèi)逐漸從0s?1提高至25s?1,然后再以斜坡式在60s從25s?1下降到0,采集60個數(shù)據(jù)點。采用剪切速率從25s?1下降到0s?1的過程中的屈服應(yīng)力和表觀黏度作為分析砂漿流變性能的數(shù)據(jù)。

1.2.6新拌砂漿氣泡結(jié)構(gòu)

采用丹麥GERMANN INSTRUMENTS公司的AVA?3000新拌混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀對新拌砂漿的氣泡結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。具體取樣步驟如下：砂漿攪拌完成后，將針筒取樣器插入砂漿表層約1cm,抽取3份體積為20mL的砂漿，分別靜置至5min、30min、60min后，將砂漿注入儀器內(nèi)部的粘性緩沖液中，依靠磁力攪拌轉(zhuǎn)子將砂漿中的氣泡釋放出來，在頂端的浮盤收集氣泡，儀器記錄其不同氣泡尺寸的數(shù)量。氣泡結(jié)構(gòu)的測試是基于Stokes原理，氣泡在液體中的上浮速度取決于氣泡的大小，大氣泡由于內(nèi)部空氣較多，其上浮的速度快于小氣泡。