聚羧酸系減水劑對(duì)脫水相制備UHPC性能的影響

韋鵬亮，余睿，蔡昱，陳露一，董恩來(lái)

（1.中鐵橋研科技有限公司，湖北 武漢 430040；2.武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

廢棄膠凝材料再生微粉是指廢棄混凝土在破碎過(guò)程中產(chǎn)生的粒徑小于0.15 mm，以硬化水泥石相（Hardened Cement Paste，簡(jiǎn)稱(chēng)HCP）為主要成分的微細(xì)粉末[1]。再生微粉在廢棄混凝土組分分離工藝中往往被忽視，通常作為惰性材料處理，但再生微粉中硬化水泥石相的存在一般會(huì)對(duì)混凝土的性能產(chǎn)生負(fù)面影響[2-4]。

為進(jìn)一步提高再生微粉的活性，將其在較低溫度下煅燒，獲得再水化特性的脫水相材料DSP（Dehydrated Cementitious Powder，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）[5-7]。已有研究結(jié)果表明，脫水相可以替代混凝土中的水泥生產(chǎn)出UHPC、UHSC（Ultra-High Strength Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)UHSC），并且達(dá)到相應(yīng)工程的服役要求[8]，這對(duì)降低UHPC、UHSC的成本、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)建筑垃圾資源化利用都具有重要意義。雖然脫水相的加入可以制備出優(yōu)異性能的生態(tài)UHPC，但值得關(guān)注的是，脫水相具有很強(qiáng)的吸附性，無(wú)法確認(rèn)減水劑與脫水相結(jié)合能否像與水泥結(jié)合一樣發(fā)揮減水效果。因此，研究不同聚羧酸高性能減水劑與脫水相制備UHPC的相容性是非常必要的。

本文通過(guò)研究減水劑與脫水相制備UHPC的相容性及對(duì)UHPC工作性能、流變性能等方面的影響，為脫水相在UHPC中的大規(guī)模利用提供理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥（C）：P·I52.5水泥，華新水泥股份有限公司；石灰石粉（LP）：微細(xì)石粉，密度為2700 kg/m3，東莞新瑪特粉體化工原料有限公司；硅灰（SF）：比表面積達(dá)18.5 m2/g，表觀密度為2200 kg/m3，成都東南星科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，膠凝材料的化學(xué)成分如表1所示；砂：粗細(xì)2種河砂，表觀密度為2610 kg/m3，其中粗砂（S1）粒徑為0.63～2.35mm、細(xì)砂（S2）粒徑為0.15～0.63mm；DSP：由廢棄膠凝材料在640℃下煅燒4 h所得到的產(chǎn)物；減水劑：PC-100型、SPT型、A97BS型聚羧酸高性能減水劑，均由中鐵橋研科技有限公司生產(chǎn)，其中PC-100型為醚類(lèi)減水劑（固含量為20%，減水率約為40%），SPT型為醚酯共聚型減水劑（固含量為40%，減水率約為40%），A97BS型為酯類(lèi)減水劑（固含量40%，減水率約為40%）。本文將PC-100型、SPT型、A97BS型減水劑分別稱(chēng)為sp1減水劑、sp2減水劑、sp3減水劑。

表1 膠凝材料的主要化學(xué)成分 %

1.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土試驗(yàn)配合比如表2所示，水灰比均為0.21，其中A-sp1、A-sp2、A-sp3三組為基準(zhǔn)混凝土配合比，3種減水劑固含量不同，摻量也不同，折固摻量相同，均為8 kg/m3；對(duì)照組DCP-sp1、DCP-sp2、DCP-sp3為DCP等量替代水泥組，考察不同聚羧酸減水劑對(duì)脫水相制備UHPC性能的影響。

表2 摻不同減水劑UHPC的配合比 kg/m3

1.3 性能測(cè)試方法

（1）流動(dòng)度：按照GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

（2）凝結(jié)時(shí)間：依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（3）力學(xué)性能：按照GB17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

（4）流變性能：采用Brookfied公司生產(chǎn)的R/S SST 2000型黏滯系數(shù)測(cè)定儀，凈漿測(cè)試選用V20×10轉(zhuǎn)子進(jìn)行測(cè)試。儀器轉(zhuǎn)速范圍為0.01～1000r/min，剪切應(yīng)力為0～3.4×104Pa。

（5）Zeta電位：采用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Zeta-sizer Nano ZS Zeta電位儀對(duì)減水劑作用下水泥漿與脫水相復(fù)合膠凝體系漿體電勢(shì)變化情況進(jìn)行測(cè)試。樣品制備如下：首先配置不同的減水劑溶液，之后按配合比將1.0 g膠凝材料與10 g減水劑溶液混合并攪拌1 min，將制得的懸浮液稀釋后用于Zeta電位測(cè)試。

（6）相容性：按照J(rèn)C/T 1083—2008《水泥與減水劑相容性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。以流動(dòng)度法按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算60 min經(jīng)時(shí)損失率，具體按式（1）計(jì)算：

式中：FL——流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率，%；

Fin——初始流動(dòng)度，mm；

F60——60min流動(dòng)度，mm。

2 結(jié)果與討論

摻不同減水劑UHPC的性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 摻不同減水劑UHPC性能測(cè)試結(jié)果

2.1 初始流動(dòng)度分析

從表3可以看出，對(duì)照組膠凝體系DCP組較基準(zhǔn)組的流動(dòng)度有所減小。這是因?yàn)?，脫水相具有較強(qiáng)的強(qiáng)吸附效應(yīng)，會(huì)降低減水劑的分散效果，從而減小混凝土的流動(dòng)性。從3種減水劑的效果對(duì)比來(lái)看，sp2減水劑制備的A、DCP兩組膠凝體系的流動(dòng)性最好，sp3減水劑制備的A、DCP兩組膠凝體系的流動(dòng)性次之，sp1減水劑制備的流動(dòng)性最差。

2.2 凝結(jié)時(shí)間分析

從表3可以看出，6種配合比UHPC的凝結(jié)時(shí)間差別較大。（1）從基準(zhǔn)組和對(duì)照組膠凝體系的比較可以看出，脫水相的摻入會(huì)較大程度縮短UHPC的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，Asp1的終凝時(shí)間為293 min，而DCP-sp1的終凝時(shí)間僅為136 min，這是因?yàn)槊撍嘀泻休^多的高活性f-CaO成分，遇水后快速發(fā)生反應(yīng)，并釋放出大量熱量，進(jìn)而導(dǎo)致膠凝材料整體水化反應(yīng)加速，漿體提前達(dá)到終凝時(shí)間。（2）對(duì)比sp1、sp2、sp3三種減水劑可以看出，摻入sp2和sp3減水劑均延長(zhǎng)了A、DCP兩組膠凝體系的凝結(jié)時(shí)間。

2.3 相容性分析

從表3可以看出：

（1）基準(zhǔn)組A-sp1組的初始、30 min、60 min流動(dòng)度基本沒(méi)有變化，說(shuō)明sp1減水劑與基準(zhǔn)組的相容性較好，且具有較好的保坍效果；DCP-sp1組的流動(dòng)度在前30 min內(nèi)減小幅度較大，在30～60 min之間流動(dòng)度減小速率變緩；這可能是DCP的強(qiáng)吸附效應(yīng)導(dǎo)致其在成漿后30 min內(nèi)f-CaO快速反應(yīng)生成Ca（OH）2，消耗大量自由水，而30～60 min內(nèi)未反應(yīng)的f-CaO變少，流動(dòng)度減小變緩。從A-sp2和A-sp3可以看出，sp2減水劑和sp3減水劑配制的基準(zhǔn)組流動(dòng)度較大，但兩者保坍效果要弱于sp1減水劑，導(dǎo)致基準(zhǔn)組的流動(dòng)度隨時(shí)間緩慢減?。籹p2減水劑和sp3減水劑對(duì)對(duì)照組的流動(dòng)度影響規(guī)律與sp1組基本一致。

（2）基準(zhǔn)組的30 min、60 min流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率均較對(duì)照組小，且以A-sp1的保坍效果最好，再次證明基準(zhǔn)組與sp1減水劑的相容性較好；從對(duì)照組可以看出，sp2減水劑和sp3減水劑均可以減小脫水相的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失率，這說(shuō)明sp2減水劑和sp3減水劑與脫水相的相容性均優(yōu)于sp1減水劑。

2.4 力學(xué)性能分析

從表3可以看出：（1）對(duì)照組與基準(zhǔn)組UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度基本相同，雖然對(duì)照組略低，但影響不大；（2）不同減水劑對(duì)不同膠凝材料體系的影響是不同的。在基準(zhǔn)組中，摻sp2減水劑的UHPC抗壓強(qiáng)度相對(duì)最低，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)sp2減水劑具有較強(qiáng)的引氣能力，混凝土氣泡較多，混凝土密實(shí)度稍差，導(dǎo)致強(qiáng)度偏低；另外2種減水劑對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度影響較小，較為穩(wěn)定。

2.5 流變性能分析

不同減水劑對(duì)UHPC流變性能的影響如圖1所示。

圖1 不同減水劑對(duì)UHPC流變性能的影響

從圖1可以看出，隨著剪切速率的增大，UHPC漿體的剪切應(yīng)力幾乎呈線性增大，符合典型的脹流型流體的特征。對(duì)比基準(zhǔn)組和對(duì)照組發(fā)現(xiàn)，脫水相替代部分水泥制備UHPC時(shí)，在剪切速率相同情況下會(huì)導(dǎo)致UHPC漿體的剪切應(yīng)力增大，這是因?yàn)榛鶞?zhǔn)組膠凝體系與對(duì)照組膠凝體系中活性膠凝材料總量不變，采用脫水相替代水泥時(shí)，脫水相遇水反應(yīng)迅速，內(nèi)部重新生成C-S-H凝膠以及Ca（OH）2且釋放出大量熱量，這會(huì)加速整個(gè)膠凝體系的水化速率，漿體中快速積累的水化產(chǎn)物以及脫水相的絮凝狀結(jié)果的形成會(huì)使整個(gè)膠凝材料顆粒間作用力增大，屈服應(yīng)力和塑性黏度都會(huì)增大。

2.6 Zeta電位分析

為研究3種減水劑對(duì)UHPC膠凝材料Zeta電位的影響，試驗(yàn)增設(shè)了分別為基準(zhǔn)組和對(duì)照組在不摻減水劑情況下2組對(duì)比樣A-sp0、DCP-sp0，其他6組按表2配合比測(cè)試膠凝材料的Zeta電位，結(jié)果如表4所示。

表4 不同減水劑對(duì)UHPC膠凝材料Zeta電位的影響

從表4可以看出，不摻減水劑時(shí)，A-sp0和DCP-sp0組的Zeta電位絕對(duì)值較為接近，這是因?yàn)槊撍嘧鳛樵偕?，其自身礦物組成與水泥還是非常接近，且基準(zhǔn)組和對(duì)照組活性膠凝材料總量相同，區(qū)別只是25%脫水相替代了水泥，所以2組試樣的Zeta絕對(duì)值較為接近。從3種減水劑的效果來(lái)看，sp2減水劑與sp3減水劑均增大了基準(zhǔn)組和對(duì)照組2種膠凝材料體系的Zeta電位絕對(duì)值，Zeta電位絕對(duì)值的變大說(shuō)明膠凝材料的絮凝結(jié)構(gòu)減少或者是團(tuán)聚變?nèi)酰眢w系的分散效果較穩(wěn)定。另外，sp2減水劑和sp3減水劑對(duì)膠凝材料基準(zhǔn)組的Zeta電位絕對(duì)值提升效果較對(duì)照組的要弱，說(shuō)明sp2和sp3減水劑相對(duì)sp1減水劑而言，與脫水相的相容性較好。

3 結(jié)論

（1）SPT型、A97BS型聚羧酸減水劑可以?xún)?yōu)化脫水相制備UHPC的工作性能，且SPT型、A97BS型與脫水相的相容性?xún)?yōu)于PC-100型減水劑。

（2）對(duì)照組與基準(zhǔn)組UHPC的28 d抗壓強(qiáng)度基本相同，雖然對(duì)照組略低，但影響不大。摻SPT型減水劑UHPC的抗壓強(qiáng)度較摻PC-100型和A97BS型減水劑低，這是因?yàn)閟p2減水劑具有較強(qiáng)的引氣性能。

（3）SPT型與A97BS型減水劑會(huì)增大摻加脫水相制備UHPC漿體的塑性黏度。

（4）摻SPT型、A97BS型減水劑含脫水相膠凝材料的Zeta電位絕對(duì)值較摻PC-100型減水劑的高，表明SPT型、A97BS型減水劑與脫水相的相容性較好，有利于脫水相分散過(guò)程中的穩(wěn)定性。