楊 謙

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)712000)

自密實(shí)混凝土制備過(guò)程中，必須添加超塑化劑與增稠劑，而由于聚羧酸系列超塑化劑相對(duì)于傳統(tǒng)超塑化劑，具備更為突出的減水率與更為良好的工作性能，且可長(zhǎng)期保持工作性能，因此已發(fā)展為自密實(shí)混凝土制備的優(yōu)選超塑化劑[1]。此外因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土坍落度及其擴(kuò)展度偏大，很容易出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象，所以需根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)添加增稠劑。而且自密實(shí)混凝土流動(dòng)性過(guò)大與離析泌水加劇間的矛盾始終不可調(diào)和[2]，據(jù)此為有效緩解此矛盾，本研究以高分子質(zhì)量生物膠為基礎(chǔ)進(jìn)行了混凝土性能優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

選用原料主要包括：與《混凝土外加劑》要求相符的基準(zhǔn)水泥；與《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求相符的粉煤灰；與《用于水泥和混凝土中的礦粉》要求相符的S95級(jí)礦粉，其具體化學(xué)組分[3]見表1；以石灰?guī)r碎石與天然河砂為粗細(xì)集料；以江蘇蘇博特新材料企業(yè)生產(chǎn)的聚羧酸減水劑作為減水劑；自來(lái)水；高分子質(zhì)量生物膠。

表1 原料組分（單位：%）Table 1 Raw material composition

其中，高分子質(zhì)量生物膠，即基于產(chǎn)堿菌屬培養(yǎng)液所提取菌株，將天然淀粉等碳水化合物當(dāng)作主原料，以制備而成的生物多糖。高分子質(zhì)量生物膠制備流程[4]如圖1所示。

圖1 高分子質(zhì)量生物膠制備流程Fig.1 Preparation process of polymer mass biological gel

高分子質(zhì)量生物膠的相對(duì)分子質(zhì)量超出500萬(wàn)，由D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-甘露糖共同構(gòu)成。為測(cè)試高分子質(zhì)量生物膠的作用效果，實(shí)驗(yàn)以聚丙基羥基纖維素醚、羧甲基纖維素醚、溫倫膠三種混凝土流變改性劑，進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.2 混凝土

通過(guò)不同流變改性劑對(duì)于自密實(shí)混凝土工作性能的影響作用分析，設(shè)計(jì)混凝土配合比[5]見表2。

表2 自密實(shí)混凝土配合比（單位：kg/m3）Table 2 Mixture ratio of self-compacting concrete

一般情況下，自密實(shí)混凝土需要消耗更多時(shí)間進(jìn)行攪拌混合，以確保材料混合充分且均勻，即首先干混集料、水泥、粉煤灰、礦粉30s，其次于15s之內(nèi)添加80%水，混合攪拌1min，最后添加剩余20%水、聚羧酸減水劑、流變改性劑，混合攪拌90s，整個(gè)過(guò)程持續(xù)3min。

1.3 測(cè)試方法

以RS-SST軟固體測(cè)試儀器測(cè)試水泥漿體流變性能。漿體通過(guò)攪拌機(jī)攪拌混合均勻之后，快速轉(zhuǎn)移于流變儀，儀器剪切速率變化具體為五個(gè)環(huán)節(jié)[6]:（1）60s預(yù)剪切，速率為100s-1，負(fù)責(zé)排除水泥漿體可能存在的不均勻性；（2）10s之內(nèi)，速率下降到0；（3）保持靜止?fàn)顟B(tài)60s；（4）60s之內(nèi)速率上升到100s-1；（5）60s之內(nèi)速率下降到0。在剪切速率整個(gè)變化過(guò)程中，每間隔1s獲取1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)試室溫始終處于20℃，最高剪切速率則保持在100s-1。

以坍落擴(kuò)展度、T50擴(kuò)展時(shí)間、V漏斗通過(guò)時(shí)間、J環(huán)擴(kuò)展度、篩析浮漿百分比法測(cè)試混凝土填充性、間隙通過(guò)性、抗離析性等。在混凝土攪拌混合成型之后，及時(shí)測(cè)試分析，于10min之內(nèi)完成所有測(cè)試工作。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流變性能分析

有研究表明新成型水泥漿、砂漿、混凝土?xí)尸F(xiàn)出假塑性、腫脹流體等特征，這時(shí)剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線通常以赫切爾-巴爾克模型加以分析則更加精確[7]。適度改變流變改性劑類型與摻量，可獲取具備不同流變特征的水泥漿體，基于剪切速率變化第五環(huán)節(jié)的截距與斜率，得知水泥漿體屈服應(yīng)力與表觀黏度，結(jié)果具體見表3、表4。

表3 基于不同流變改性劑摻量的水泥漿體屈服應(yīng)力（單位：Pa）Table 3 Yield stress of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

表4 基于不同流變改性劑摻量的水泥漿體表觀黏度（單位：Pa·s）Table 4 Surface viscosity of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

由表3、表4可知，在流變改性劑摻量逐漸增多的趨勢(shì)下，不同類型流變改性劑都會(huì)促使水泥漿體屈服應(yīng)力、表觀黏度有所增大，但是相對(duì)來(lái)講，基于高分子質(zhì)量生物膠的水泥漿體的屈服應(yīng)力、表觀黏度提高的態(tài)勢(shì)比較平緩，這就說(shuō)明其敏感性相對(duì)偏低。如此將會(huì)為其在流動(dòng)性較大的水泥基材料中，特別是自密實(shí)混凝土中的實(shí)踐運(yùn)用提供便利，可就實(shí)際原料與配合比需求，在大摻量范圍之內(nèi)適度調(diào)整拌合物的屈服應(yīng)力、表觀黏度，防止了常用流變改性劑摻加之后摻量出現(xiàn)稍微變化，拌合物狀態(tài)便呈現(xiàn)顯著差異，導(dǎo)致難以獲得最佳工作性能的不良狀況。

測(cè)驗(yàn)摻加不同類型流變改性劑對(duì)水泥漿體假塑性的影響，基于剪切速率變化第五環(huán)節(jié)的規(guī)律加以分析，發(fā)現(xiàn)不同摻量流變改性劑的加入時(shí)，所有水泥漿體樣本的擴(kuò)展度都可控制于220±10 mm范圍內(nèi)。而相對(duì)于摻加其他流變改性劑的水泥漿體，摻入高分子質(zhì)量生物膠的水泥漿體假塑性在剪切速率逐步提高的形勢(shì)下，體系黏度呈現(xiàn)為下降狀態(tài)。通常情況下，摻入減水劑之后的水泥基材料拌合物會(huì)呈現(xiàn)剪切相對(duì)變稠的現(xiàn)象，而且水膠比越低，減水劑摻入量越多，粗骨料最大粒徑越大，此現(xiàn)象則會(huì)愈發(fā)明顯[8]。

測(cè)驗(yàn)摻加不同類型流變改性劑對(duì)水泥漿體觸變性的影響，基于剪切速率變化第五環(huán)節(jié)的規(guī)律加以分析，以構(gòu)成整體滯后環(huán)，發(fā)現(xiàn)所有水泥漿體樣本擴(kuò)展度都可控制于220±10 mm范圍內(nèi)。而相對(duì)于摻加其他觸變劑的水泥漿體，摻入高分子質(zhì)量生物膠的水泥漿體觸變性最為顯著。觸變性直接反映了基于外力剪切作用體系結(jié)構(gòu)拆散與重建速率的差異、以及拆散與重建需要能量的差異。流體材料觸變性與假塑性不同[9]，觸變性反映的是材料剪切黏度基于剪切時(shí)間的實(shí)時(shí)變化規(guī)律；假塑性反映的是材料剪切黏度基于剪切速率的實(shí)時(shí)變化規(guī)律。

2.2 工作性能分析

自密實(shí)混凝土工作性能具體見表5。

表5 自密實(shí)混凝土工作性能Table 5 Performance of self-compacting concrete

由表5可知，所有型號(hào)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度都控制于650～750 mm范圍內(nèi)，但是本實(shí)驗(yàn)所用混凝土膠凝材料只有419kg/m2，以適度添加更多減水劑的方式擴(kuò)大了坍落擴(kuò)展度，但是也在很大程度上加劇了拌合物的離析傾向，自密實(shí)混凝土1的V漏斗通過(guò)時(shí)間、J環(huán)擴(kuò)展度等指標(biāo)，浮漿百分比等指標(biāo)都處于劣化態(tài)勢(shì)，與標(biāo)準(zhǔn)要求不符。不同類型和摻量下，流變改性劑在自密實(shí)混凝土中的添加，均可有效改善其V漏斗通過(guò)時(shí)間、J環(huán)擴(kuò)展度、浮漿百分比，相較而言，摻加高分子質(zhì)量生物膠時(shí)自密實(shí)混凝土的填充性、間隙通過(guò)性、抗離析性等多元性能處于最佳狀態(tài)。

自密實(shí)混凝土在制備且調(diào)整時(shí)，由于漿體含量偏低，水灰比偏大，而屈服應(yīng)力和表觀黏度較小，極易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，而添加流變改性劑，可有效提高其屈服應(yīng)力、表觀黏度。由表5可知，為切實(shí)緩解膠材用量低時(shí)流動(dòng)性過(guò)大與粘聚性較好之間的矛盾，實(shí)驗(yàn)以纖維素醚、溫倫膠、生物膠等為輔助使得此矛盾得以解決，但是纖維素醚與溫倫膠在提升屈服應(yīng)力，并防止跑漿與離析等現(xiàn)象時(shí)，發(fā)生了黏度增大過(guò)度的不良現(xiàn)象，流動(dòng)性也大大降低，T50擴(kuò)展時(shí)間、V漏斗通過(guò)時(shí)間明顯延長(zhǎng)。但是生物膠的摻入敏感性比較低，可確保自密實(shí)混凝土屈服應(yīng)力與黏度呈現(xiàn)為平緩增長(zhǎng)狀態(tài)，且流動(dòng)性與粘聚性較好。

此外為獲取較好工作性能，自密實(shí)混凝土黏度與屈服應(yīng)力相伴相長(zhǎng)[10]，對(duì)此可基于提高拌合物假塑性的方式，削減黏度增長(zhǎng)過(guò)度所造成的負(fù)面影響?；炷翆?shí)踐應(yīng)用時(shí)，不論翻轉(zhuǎn)、攪拌、泵送、壓力、重力灌注，均以外力剪切作用為載體進(jìn)行操作，所以盡量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可獲得良好工作性能。

明顯假塑性利于拌合物受力運(yùn)動(dòng)時(shí)的工作性能，但是終歸要回到靜止?fàn)顟B(tài)，而外力剪切作用則會(huì)被消除，此時(shí)過(guò)低黏度極易造成嚴(yán)重離析。所以自密實(shí)混凝土拌合物應(yīng)同時(shí)具備合適的觸變性，也就是在外力剪切作用消除之后，拌合物體系動(dòng)態(tài)屈服應(yīng)力與塑性黏度需基于既定速率恢復(fù)重建，不可快速促使混凝土于短時(shí)間之內(nèi)完全喪失工作性能增幅，不可過(guò)慢導(dǎo)致難以阻止離析現(xiàn)象。

綜上可以看出，高分子質(zhì)量生物膠摻入自密實(shí)混凝土，為拌合物帶來(lái)了良好屈服應(yīng)力、表觀黏度，較高假塑性、觸變性。所以摻加高分子質(zhì)量生物膠的自密實(shí)混凝土工作性能處于最佳狀態(tài)，還可基于優(yōu)化泌水率與均衡性，提高硬化之后的整體性能。

3 結(jié)論

由于高分子質(zhì)量生物膠屬于典型的假塑性流體，溶液黏度在剪切速率上升時(shí)呈現(xiàn)為顯著下降態(tài)勢(shì)，因此可切實(shí)促使材料生成假塑性與觸變性。據(jù)此本文以高分子質(zhì)量生物膠為輔助優(yōu)化了自密實(shí)混凝土。以聚丙基羥基纖維素醚、羧基纖維素醚、溫倫膠為基礎(chǔ)，與高分子質(zhì)量生物膠進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了自密實(shí)混凝土工作性能，結(jié)果表明：相較于纖維素醚與溫倫膠，摻加高分子質(zhì)量生物膠，水泥漿體的屈服應(yīng)力、表觀黏度提高的態(tài)勢(shì)比較平緩，說(shuō)明其敏感性相對(duì)偏低；摻加高分子質(zhì)量生物膠時(shí)自密實(shí)混凝土的填充性、間隙通過(guò)性、抗離析性等多元性能處于最佳狀態(tài)，且流動(dòng)性與粘聚性較好；混凝土實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，不論翻轉(zhuǎn)、攪拌、泵送、壓力、重力灌注，均以外力剪切作用為載體進(jìn)行操作，所以盡量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可獲得良好工作性能。總之，高分子質(zhì)量生物膠摻入自密實(shí)混凝土，為拌合物帶來(lái)了良好屈服應(yīng)力、表觀黏度，較高假塑性、觸變性。所以摻加高分子質(zhì)量生物膠的自密實(shí)混凝土工作性能處于最佳狀態(tài)，還可基于優(yōu)化泌水率與均衡性，提高硬化之后的整體性能。