減水劑類型對(duì)濕式噴射混凝土的流動(dòng)性影響研究

郭曉晗

（山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近年來，濕式噴射混凝土技術(shù)因?yàn)槠渌邆涞纳a(chǎn)效率高、工程質(zhì)量好等諸多優(yōu)勢(shì)，在井下、隧道等施工現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于噴射混凝土工藝以及整個(gè)系統(tǒng)來講，要實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，就必須要對(duì)管道輸送環(huán)節(jié)予以高度的重視。對(duì)混凝土管道輸送阻力特性以及降低混凝土輸送阻力展開研究，是有效改善濕噴混凝土管道輸送效果的重要措施以及關(guān)鍵所在。在工程應(yīng)用中為了實(shí)現(xiàn)混凝土料漿的高流態(tài)，高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，通常使用外加劑。外加劑有著諸多的種類，其中減水劑是應(yīng)用范圍最為廣泛的凝土外加劑。減水劑可以大幅度提高料漿在管道中的流動(dòng)性，避免堵管現(xiàn)象發(fā)生。

減水劑的種類較多，不同減水劑種類和添加量對(duì)水泥基材料的影響是不同的。王小萍認(rèn)為木質(zhì)素磺酸鹽會(huì)縮短水泥凝結(jié)時(shí)間，王志浩發(fā)現(xiàn)三聚氰胺系減水劑和萘系減水劑可以影響堿激發(fā)粉煤灰膠凝材料的工作性能。萘系減水劑可有效提高發(fā)泡水泥的綜合性能。聚羧酸高性能減水劑的適應(yīng)性比萘系高效減水劑差。

目前對(duì)減水劑應(yīng)用性能及對(duì)水泥水化、全尾砂充填料漿流動(dòng)性、流變性及力學(xué)性能的影響研究較多，但對(duì)濕式噴射混凝土流動(dòng)性能的影響研究較少，但流動(dòng)性能對(duì)濕式噴射混凝土效果起重要作用。因此，選用市面上最常用的3 種減水劑，通過坍落度、擴(kuò)展度等因素研究了減水劑對(duì)濕式噴射混凝土材料流動(dòng)性的影響。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽PO42.5 水泥，質(zhì)量符合《通用硅酸鹽水泥》 GB175—2020 最新標(biāo)準(zhǔn)要求。細(xì)骨料選用泰安東平細(xì)度模數(shù)為2.8 的中砂，表觀密度2650 kg/m，堆積密度1500 kg/m，性能指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)定。粗骨料采用尺寸為表觀密度為2700 kg/m的碎石。三種減水劑分別是聚羧酸減水劑（WH-A）、萘系減水劑（FDN-C） 和木質(zhì)素減水劑（GS -L），是市面上最常用的混凝土減水劑種類，具有一定的代表性。符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑》 （GB8075—87） 的有關(guān)規(guī)定，不同減水劑相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 減水劑相關(guān)性能

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)配比為水∶水泥∶石子∶砂子=0.45∶1∶1.5∶2.25。WH-A摻量為0.35 ～0.5%，梯度為0.05%； FDNC摻量為0.5 ～1.25%，梯度為0.25%； GS -L摻量為1 ～2.5%，梯度為0.5%。

按照《GB/T8077—2012 混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》 測(cè)量水泥漿體擴(kuò)展度。按照GB/T2419 -2016 對(duì)新拌砂漿做擴(kuò)展度測(cè)試。按照規(guī)范《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》 測(cè)量新拌混凝土坍落度。

LCPC箱實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)工具是一個(gè)長(zhǎng)度為50cm（Lmax）、寬度為20cm、高度為10cm的玻璃通道。將2L混合好的水泥漿、砂漿和混凝土從玻璃通道的一側(cè)倒入（圖1a）。讓物料靜置1 分鐘，然后在玻璃水平通道的一側(cè)拍攝照片，得到玻璃通道剖面輪廓（圖1b）。其中h 是盒子末端樣品的厚度（即物料的厚度），L為混凝土靜置時(shí)的鋪展長(zhǎng)度。每種混合物的流動(dòng)性由L/h 計(jì)算得出，L與h 的比值越大，證明其流動(dòng)性越好。

圖1 LCPC箱試驗(yàn)

水泥顆粒的Zeta電位通過馬爾文納米粒度電位儀進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)方法： 采用去離子水配制的減水劑溶液30mL，加入0.1 g水泥，攪拌靜置30 min 后測(cè)試上層懸浮液Zeta電位，測(cè)試5 次，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同減水劑對(duì)濕式噴射混凝土流動(dòng)性的影響

在沒有添加減水劑的情況下，水灰比為0.45 的新拌混凝土流動(dòng)性很低，坍落度僅為24 mm。與空白組相比，在摻入了不同劑量的減水劑之后，混凝土的坍落度有了明顯的提升。三種減水劑中，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土流動(dòng)性的改善效果優(yōu)于另外兩種減水劑，坍落度最大可提升至143mm，木質(zhì)素磺酸鹽減水劑對(duì)混凝土流動(dòng)性的改善效果最差。

不同減水劑對(duì)新拌混凝土流動(dòng)性的改善效果呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律： 混凝土坍落度并不隨著減水劑摻量的增加而增加，而是存在一個(gè)臨界點(diǎn)，超過該臨界點(diǎn)后，繼續(xù)增加摻量混凝土坍落度幾乎不會(huì)增大。這是因?yàn)榧尤霚p水劑后，減水劑分子吸附在水泥顆粒表面，釋放出被絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的拌合水，當(dāng)減水劑摻量達(dá)到某一水平后，物料顆粒之間會(huì)形成一種相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，而在此基礎(chǔ)上繼續(xù)添加減水劑，此時(shí)同等劑量的減水劑能夠釋放出的絮凝水減少，同劑量減水劑的作用效果慢慢減弱。通過實(shí)驗(yàn)確定聚羧酸減水劑的飽和摻量為0.5%，萘系減水劑的飽和摻量為1%，木質(zhì)素磺酸鹽減水劑的飽和摻量為2%。

2.2 不同減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性的影響

三種減水劑都不同程度地提高了水泥凈漿的流動(dòng)性，其中WH-A減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性的影響較其他兩種減水劑影響更為顯著，GS -L減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)性的改善效果最差，但其流動(dòng)保持性較好。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)減水劑摻量超過混凝土試驗(yàn)中確定的飽和摻量點(diǎn)時(shí)，雖然水泥凈漿擴(kuò)展度增幅變緩，但仍不能確定是否已經(jīng)達(dá)到極限擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，可見水泥凈漿擴(kuò)展度試驗(yàn)并不能確定減水劑的飽和摻量。

2.3 不同減水劑對(duì)砂漿流動(dòng)性的影響

曾君發(fā)現(xiàn)水泥凈漿流動(dòng)度與混凝土擴(kuò)展度和坍落度之間的相關(guān)性并不好，提出用砂漿擴(kuò)展度來表征減水劑與水泥的相容性。因此，通過分析不同減水劑類型及摻量對(duì)砂漿擴(kuò)展度的流動(dòng)性的影響規(guī)律，探究減水劑與水泥相容性問題。不同減水劑對(duì)砂漿流動(dòng)性的改善效果與混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律： 砂漿擴(kuò)展度并不隨著減水劑摻量的增加而增加，而是存在一個(gè)臨界點(diǎn)，超過該臨界點(diǎn)后，摻量增加砂漿擴(kuò)展度幾乎不發(fā)生變化。

2.4 砂漿流動(dòng)性與混凝土流動(dòng)性的相關(guān)性

2.4.1 水泥凈漿擴(kuò)展度、砂漿擴(kuò)展度與混凝土坍落度的相關(guān)性

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥凈漿擴(kuò)展度試驗(yàn)并不能確定減水劑的飽和摻量，而砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)與混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出相似的規(guī)律。對(duì)此，分別對(duì)水泥凈漿擴(kuò)展度、砂漿擴(kuò)展度與混凝土坍落度進(jìn)行了線性回歸分析。水泥凈漿初始擴(kuò)展度與混凝土坍落度相關(guān)系數(shù)R2為0.876。砂漿初始擴(kuò)展度與混凝土坍落度相關(guān)系數(shù)R2為0.957。水泥凈漿擴(kuò)展度、砂漿擴(kuò)展度與混凝土坍落度都存在良好的相關(guān)性，其中砂漿擴(kuò)展度優(yōu)于水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果，與混凝土的實(shí)際應(yīng)用情況相關(guān)性更強(qiáng)。

圖2 水泥凈漿擴(kuò)展度、砂漿擴(kuò)展度與混凝土坍落度的相關(guān)性

2.4.2 LCPC箱試驗(yàn)

由于水泥凈漿擴(kuò)展度試驗(yàn)、砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)和混凝土坍落度試驗(yàn)所測(cè)試的參數(shù)不同，試驗(yàn)所用的模具參數(shù)、物料體積都不盡相同。為了能夠統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、更加直觀的觀察和分析砂漿流動(dòng)性與混凝土流動(dòng)性之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用LCPC箱實(shí)驗(yàn)來研究當(dāng)摻入不同的減水劑時(shí)砂漿流動(dòng)度與混凝土流動(dòng)度之間的相關(guān)性（見表2 ）。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)選取不同減水劑的飽和摻量，將其分別加入到三種介質(zhì)中（包括水泥漿、砂漿和新拌混凝土），觀察流動(dòng)度的變化。

表2 LCPC箱試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在減水劑種類與摻量相同的前提下，混凝土的流動(dòng)性低于砂漿流動(dòng)性，砂漿流動(dòng)性低于水泥漿體流動(dòng)性。在水泥凈漿中，水只用來潤(rùn)濕和分散水泥顆粒。但是在砂漿中，部分拌和水被用來潤(rùn)濕細(xì)骨料，這使水泥漿體中自由水的含量減少，宏觀表現(xiàn)為物料流動(dòng)性降低。在混凝土中，部分拌合水還要潤(rùn)濕粗骨料，這使得在相同水灰比下，水泥凈漿中的自由水含量要多于與混凝土內(nèi)的自由水含量。

砂漿流動(dòng)度： M1 ＞M2 ＞M3，混凝土流動(dòng)度： C1＞C2 ＞C3，二者排序一致。分別對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度、砂漿流動(dòng)度與混凝土流動(dòng)度做線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)與水泥凈漿相比，砂漿流動(dòng)性與混凝土流動(dòng)性的相關(guān)性更好，二者存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為評(píng)判水泥與外加劑相容性的一種便捷方式。

2.5 Zeta電位實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)對(duì)萘系減水劑（FDN-C）、聚羧酸系減水劑（WH-A） 和木質(zhì)素磺酸鹽減水劑（GS -L） 進(jìn)行了試驗(yàn)（本文中所指Zeta電位均指其絕對(duì)值）。

在水泥顆粒中加入了減水劑之后，水泥顆粒的表面電位會(huì)產(chǎn)生變化。在沒有添加減水劑時(shí)，表面電位為3.28mV，當(dāng)加入了減水劑之后，水泥顆粒的Zeta電位絕對(duì)值會(huì)伴隨著減水劑濃度的增加而增加。出現(xiàn)這種情況的原因在于減水劑分子會(huì)在水顆粒表面吸附之后產(chǎn)生雙電層，而伴隨著減水劑濃度的增加，吸附量也會(huì)逐漸的增加，進(jìn)而使得水泥顆粒表面帶電荷增大。

三種減水劑中，萘系減水劑溶液中水泥顆粒的初始電位最大，為31.6 mV，但隨時(shí)間下降的幅度也較大，60 min 后降到11.3 mV。木質(zhì)素磺酸鹽減水劑對(duì)水泥漿體系Zeta電位的保持能力較好，60min 后Zeta電位沒有發(fā)生較大變動(dòng)，故體系穩(wěn)定性更強(qiáng)。

聚羧酸減水劑溶液中水泥顆粒的初始電位最低，僅為3.57 mV，這意味著其靜電斥力作用較弱。但通過水泥凈漿擴(kuò)展度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然WH-A溶液的Zeta電位較低，但水泥漿體流動(dòng)性仍然較好。說明聚羧酸系減水劑的分散機(jī)理并非靜電斥力理論所能解釋，其空間位阻效應(yīng)作用更大。

3 結(jié)語

1） 減水劑的加入對(duì)水泥基材料流動(dòng)性提升效果明顯。聚羧酸減水劑對(duì)水泥基材料流動(dòng)性改善效果最好，但經(jīng)時(shí)損失較大； 萘系減水劑對(duì)水泥基材料流動(dòng)性改善效果次之，但經(jīng)時(shí)損失最大； 木質(zhì)素磺酸鹽減水劑對(duì)水泥基材料流動(dòng)性改善效果最差，但經(jīng)時(shí)損失最小。

2） 減水劑摻量并不是越高越好，存在飽和點(diǎn)，超過飽和點(diǎn)，流動(dòng)性幾乎沒有改善。與水泥凈漿流動(dòng)性相比，砂漿流動(dòng)度與混凝土流動(dòng)度之間能夠存在更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，與混凝土的實(shí)際應(yīng)用情況相關(guān)性更強(qiáng)。

3） 靜電斥力是萘系減水劑保持體系分散穩(wěn)定性的主要因素，聚羧酸系減水劑的分散機(jī)理并非靜電斥力理論所能解釋，其空間位阻效應(yīng)作用更大。