功率超聲對(duì)水泥基復(fù)合材料流變性能的影響

摘要：為提高水泥顆粒的分散均勻性，研究功率超聲對(duì)水泥基復(fù)合材料流變性能的影響，采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，以萘系減水劑FDN-C為減水劑，采用功率超聲對(duì)水泥漿體進(jìn)行預(yù)分散處理，在不同水灰質(zhì)量比（0.50、0.55）、超聲功率（250、500、750 W）、超聲時(shí)間（0～4 min）下測(cè)試漿體的流動(dòng)度和泌水率，研究功率超聲對(duì)水泥漿體流變性能的影響。結(jié)果表明：超聲時(shí)間相同時(shí)，水泥漿體的流動(dòng)度隨超聲功率的增大而增大，泌水率隨超聲功率的增大而先減小后增大，超聲功率為750 W時(shí)，不同水灰質(zhì)量比的水泥漿體的流動(dòng)度和泌水率均最大；超聲功率相同時(shí)，超聲作用4 min后2種水灰質(zhì)量比水泥漿體的流動(dòng)度均最大，水灰質(zhì)量比為0.50水泥漿體的泌水率隨超聲時(shí)間的增大而呈減小→增大→減小→增大的變化趨勢(shì)，超聲作用3 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.55水泥漿體的泌水率繼續(xù)增大。相比減水劑，功率超聲在更短時(shí)間內(nèi)改變水泥漿體的流變性能，超聲功率為750 W、超聲時(shí)間為2 min時(shí)和超聲功率為500 W、超聲時(shí)間為4 min時(shí)改變水泥漿體的流變性能效果最顯著。

關(guān)鍵詞：水泥基復(fù)合材料；功率超聲；流變性；流動(dòng)度；泌水率；減水劑

中圖分類號(hào)：U414；U416.216文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1672-0032（2024）03-0063-06

引用格式：葉姝君，梁浩，劉圣潔，等.功率超聲對(duì)水泥基復(fù)合材料流變性能的影響［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（3）：63-68.

YE Shujun， LIANG Hao， LIU Shengjie， et al. Influence of power ultrasound on the rheological properties of cement-based composite materials［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：63-68.

0 引言

水泥是典型的多維度材料，流變性能是影響水泥漿體使用性能的重要指標(biāo)之一^[1]。在水泥水化過(guò)程中，內(nèi)部水泥顆粒及納米級(jí)水化產(chǎn)物因顆粒間的位阻效用呈不同程度的團(tuán)聚性，影響水泥基材料的流變性能^[2-3]。在不同作業(yè)場(chǎng)景下，施工對(duì)漿體流變性的需求不同^[4-6]，須選擇有效的水泥漿體顆粒分散方式，實(shí)現(xiàn)水泥基材料流變性能的迅速轉(zhuǎn)變。

在傳統(tǒng)施工中，大多采用攪拌的方式打散水泥基原料，主要包括自落式攪拌和強(qiáng)制式攪拌，受設(shè)備所限，攪拌過(guò)程中仍存在分散低效區(qū)^[7]。還可采用添加減水劑的方式打散水泥基原料，但部分減水劑對(duì)混凝土流變性的調(diào)控作用有負(fù)面影響^[8-9]，易導(dǎo)致泌水與離析，水泥硬化后形成較大孔穴結(jié)構(gòu)和微裂縫，耐久性降低^[10-11]。

超聲波在液相環(huán)境中傳播時(shí)產(chǎn)生的超聲效應(yīng)有利于減少顆粒團(tuán)聚，超聲波作用于液體介質(zhì)時(shí)，因聲波正負(fù)壓交替易導(dǎo)致氣泡重復(fù)膨脹與收縮并迅速生長(zhǎng)^[12-14]。氣泡尺寸達(dá)到空化閾值時(shí)瞬間潰滅，并在極小范圍內(nèi)產(chǎn)生約5 000 ℃的超高溫^[15-16]，同時(shí)產(chǎn)生大于400 km/h的高速射流，增強(qiáng)水泥顆粒表面的質(zhì)量傳遞，導(dǎo)致絮狀結(jié)構(gòu)解體，分散均勻度較好^[17]。已有研究中多為超聲波在超聲檢測(cè)與精密加工等方面的應(yīng)用，在水泥漿體的分散研究則較少^[18]。

本文基于超聲波振動(dòng)引起的空化作用，采用高效機(jī)械力解決原始攪拌方式導(dǎo)致水泥顆粒分散不均勻的問(wèn)題，并代替減水劑化學(xué)效應(yīng)，進(jìn)行水泥漿體流動(dòng)度、泌水率試驗(yàn)，研究超聲功率、超聲時(shí)間及水灰質(zhì)量比等因素對(duì)水泥漿體流變性能的影響，確定水泥漿體功率超聲作用的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以期為該技術(shù)在工程上的推廣應(yīng)用提供理論支撐。

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥各性能指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表1所示，各項(xiàng)性能符合文獻(xiàn)[19]要求。以萘系減水劑FDN-C為減水劑，萘系減水劑FDN-C為褐黃色粉末，固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于94%，pH為7～9，硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，減水率為18%～28%，各項(xiàng)性能符合文獻(xiàn)[20]要求。水為日常飲用水。

為分析超聲功率對(duì)水泥基材料流變性能的影響，定義2組試樣的水灰質(zhì)量比分別為0.50、0.55，在不同超聲功率下進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)，在不同超聲時(shí)間下進(jìn)行泌水率試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析流變性能。

1.1 流動(dòng)度試驗(yàn)

圖1 水泥漿體最大流動(dòng)度測(cè)量方法

每組試樣需稱取300 g水泥、適量水及萘系減水劑FDN-C，共20組，分別采用水泥漿體攪拌機(jī)慢速攪拌60 s，停15 s，將攪拌機(jī)葉片上的水泥漿體刮入攪拌桶內(nèi)，快速攪拌120 s，停止運(yùn)行攪拌機(jī)，將攪拌桶內(nèi)水泥漿體立即倒入燒杯，置于磁力攪拌器中，開(kāi)啟超聲制備漿體。提前用濕抹布潤(rùn)濕玻璃板及水泥漿體流動(dòng)度試模，將水泥漿體全部倒入試模中，用刮刀刮去上部多余漿體后，立即垂直提起試模，使?jié){體自由流動(dòng)，計(jì)時(shí)30 s后立即用鋼直尺分別量取流動(dòng)部分互相垂直的2個(gè)方向的最大直徑，如圖1所示，取平均直徑作為水泥漿體流動(dòng)度。

洗凈試模與玻璃板并提前潤(rùn)濕后，再進(jìn)行下1組試驗(yàn)。

1.2 泌水率試驗(yàn)

取流動(dòng)度試驗(yàn)剩余水泥漿體（50±1）g，將其密封放置于聚丙烯塑料杯中，設(shè)其總質(zhì)量為m₁。

每隔0.5 h用塑料滴管吸取杯中上層所析出水并記錄質(zhì)量（精確至0.01 g），當(dāng)漿體泌水量小于0.10 g時(shí)，每10 min吸取1次水，直至漿體不再發(fā)生泌水現(xiàn)象，計(jì)算全部吸取水的質(zhì)量，定義為總泌水質(zhì)量m₂。泌水率N=m₂/m₁。

1.3 試驗(yàn)組設(shè)置

設(shè)計(jì)10個(gè)試驗(yàn)組，超聲功率分別為0、250、500、750 W，在不同減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w₁和超聲時(shí)間下分析超聲功率對(duì)水泥漿體流變性能的影響，試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

設(shè)計(jì)10個(gè)試驗(yàn)組，未添加減水劑，超聲功率為500 W，分別采用超聲0、1、2、3、4 min分析超聲時(shí)間對(duì)水泥漿體流變性能的影響，試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 超聲功率

不同超聲功率對(duì)各組水泥漿體的流變性能的影響結(jié)果如表4所示。

由表4可知：水泥漿體的流動(dòng)度隨超聲功率的增大而增大，超聲功率為750 W時(shí)，不同水灰質(zhì)量比的水泥漿體的流動(dòng)度最大，H₃的流動(dòng)度比未進(jìn)行超聲的H₀增大50.0%，I₃的流動(dòng)度比未進(jìn)行超聲的I₀增大32.7%，H₃的流動(dòng)度比添加減水劑的對(duì)照組H₄增大22.0%，I₃的流動(dòng)度比添加減水劑的對(duì)照組I₄增大17.3%，應(yīng)用功率超聲可減少水泥基材料的用水量，比添加減水劑更能提高水泥漿體的流動(dòng)性。作用機(jī)理為功率超聲與水泥漿體中的顆粒共振發(fā)生超聲空化作用，部分漿體顆粒剝落或水泥團(tuán)聚顆粒解體，釋放水分子，流動(dòng)度增大。

超聲時(shí)間相同時(shí)，不同水灰質(zhì)量比的水泥漿體的泌水率隨超聲功率的增大而先減小后增大，超聲功率為750 W時(shí)泌水率最大。原因是超聲功率為250 W時(shí)，超聲波產(chǎn)生的剪切力和沖擊力無(wú)法與絮凝顆粒積極耦合作用，無(wú)法克服顆粒間的靜電引力和范德華力，顆粒分散不明顯。超聲功率較大時(shí)，超聲空化導(dǎo)致團(tuán)聚的水泥顆粒解體，有效釋放水分子，泌水率增大。在超聲功率為750 W、超聲作用2 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體的泌水率最大，為4.76%，比未采取功率超聲處理的水泥漿體增大85.9%；水灰質(zhì)量比為0.55，I₃的泌水率為5.21%，比未采取功率超聲處理的試樣增大101.2%，功率超聲可提高水泥顆粒與水分子的分散效果。

2.2 超聲時(shí)間

不同水灰質(zhì)量比下，不同超聲時(shí)間對(duì)各組水泥漿體的流變性能的影響結(jié)果如表5所示。

由表5可知：超聲4 min時(shí)，2種水灰質(zhì)量比水泥漿體的流動(dòng)度均最大；水灰質(zhì)量比增大，用水量增大，漿體流動(dòng)度顯著增大，超聲時(shí)間分別為0、1、2、3、4 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體流動(dòng)度比水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體分別增大53.0%、35.0%、26.7%、21.5%、18.5%，隨超聲時(shí)間延長(zhǎng)，增幅減小。表明超聲作用時(shí)間越長(zhǎng)，水灰質(zhì)量比對(duì)水泥漿體流動(dòng)度的影響越小，原因是超聲時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致漿體內(nèi)部絮凝及抱團(tuán)顆粒解體→團(tuán)聚→再解體→再團(tuán)聚循環(huán)發(fā)生，水泥漿體析出多余水分，漿體內(nèi)部的水化產(chǎn)物顆粒分散更均勻。

水灰質(zhì)量比為0.50水泥漿體的泌水率隨超聲時(shí)間的增大而呈減小→增大→減小→增大的變化趨勢(shì)，原因是受超聲作用影響，初期顆粒絮凝及團(tuán)聚狀態(tài)被打開(kāi)，釋放水分子，泌水率增大；隨超聲作用時(shí)間的增加，顆粒分散后繼續(xù)高速運(yùn)動(dòng)，顆粒間再次碰撞堆疊，再次包裹水分子，產(chǎn)生絮凝聚團(tuán)的概率增大，泌水率減小，依此循環(huán)變化。超聲作用3 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.55水泥漿體的泌水率的變化趨勢(shì)與水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體相反，泌水率繼續(xù)增大。原因是超聲功率為750 W時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體的多余水分無(wú)需參加顆粒團(tuán)聚過(guò)程，且空化效應(yīng)閾值隨超聲時(shí)間增大而減小，產(chǎn)生空化泡核的時(shí)間越短，空化泡潰滅所需時(shí)間越短。超聲空化作用產(chǎn)生的高速?zèng)_擊波和微射流破壞了絮凝水泥顆粒的團(tuán)聚，漿體中的自由水增多，漿體泌水率增大。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，以萘系減水劑FDN-C為減水劑，在不同水泥漿體水灰質(zhì)量比、超聲功率、超聲時(shí)間下測(cè)試水泥漿體的流動(dòng)度和泌水率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析功率超聲對(duì)水泥基材料流變性能的影響，水泥漿體的流動(dòng)度與超聲功率及超聲時(shí)間正相關(guān)，在超聲功率為750 W、超聲作用2 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體的流動(dòng)度最大，為150 mm，比未采取超聲處理的水泥漿體增大50.0%；水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體的流動(dòng)度最大，為203 mm，比未采取超聲處理的水泥漿體增大32.7%。隨超聲時(shí)間增加，水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體的流動(dòng)度持續(xù)增大，水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體的流動(dòng)度增幅不大。

水泥漿體的泌水率隨超聲功率的增大而先減小后增大，在超聲功率為750 W、超聲作用2 min時(shí)，水灰質(zhì)量比為0.50的水泥漿體的泌水率最大，為4.76%，比未采取超聲處理的水泥漿體增大85.9%；水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體的泌水率最大，為5.21%，比未采取超聲處理的水泥漿體增大101.2%。

超聲功率為500 W，超聲4 min時(shí)，2種水灰質(zhì)量比水泥漿體的流動(dòng)度最大。水灰質(zhì)量比為0.5水泥漿體的泌水率隨超聲時(shí)間的增大而呈減小→增大→減小→增大的變化趨勢(shì)，水灰質(zhì)量比為0.55的水泥漿體泌水率隨超聲時(shí)間的增加而增大。

本試驗(yàn)僅對(duì)單枚超聲探頭對(duì)水泥漿體流變性能展開(kāi)研究，后續(xù)可對(duì)多枚超聲設(shè)備聯(lián)合布設(shè)干涉水泥漿體展開(kāi)進(jìn)一步研究；同時(shí)，本文僅對(duì)超聲分散水泥漿體流變性能進(jìn)行研究，后續(xù)可加強(qiáng)力學(xué)性能及微觀變化研究，以對(duì)水泥漿體的分散程度進(jìn)行更深一步探索。

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Influence of power ultrasound on the rheological properties of

cement-based composite materials

YE Shujun¹， LIANG Hao²， LIU Shengjie³， SONG Lei¹，

ZHAO Zhizhong^1*， PENG Geng^4，5

1.School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；

2.Shandong Luzhong Highway Construction Co.， Ltd.， Zibo 255086， China;

3.School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 102616， China;

4.Beijing Municipal Engineering Research Institute， Beijing 100032， China;

5.Beijing Municipal Road and Bridge Technology Development Co.， Ltd.， Beijing 100032， China

Abstract：To improve the dispersion uniformity of cement particles， the influence of power ultrasonic on the rheological properties of cement-based composite materials is studied. Ordinary Portland cement P·O 42.5 is used， with naphthalene-based water reducer FDN-C as the water reducer. Power ultrasonic is employed for pre-dispersion treatment of cement slurry， and the fluidity and bleeding rate of the slurry are tested under different water-to-cement ratios（0.50， 0.55）， ultrasonic powers（250， 500， 750 W）， and ultrasonic times（0，1，2，3，4 min） to investigate the impact of power ultrasonic on the rheological properties of cement slurry. The results show that with the same ultrasonic time， the fluidity of the cement slurry increases with the increase of ultrasonic power， while the bleeding rate decreases first and then increases with the increase of ultrasonic power. When the ultrasonic power is 750 W， the fluidity and bleeding rate of cement slurry at different water-to-cement ratios are the highest. With the same ultrasonic power， the fluidity of both water-to-cement ratio cement slurries is the highest after 4 min of ultrasonic treatment. The bleeding rate of the 0.50 water-to-cement ratio slurry decreases， increases， then decreases， and increases again with the increase of ultrasonic time， while for the 0.55 water-to-cement ratio slurry， the bleeding rate continues to increase after 3 min of ultrasonic treatment. Compared to the water reducer， power ultrasonic can change the rheological properties of the cement slurry in a shorter time. The most significant effects on altering the rheological properties of the slurry are observed when the ultrasonic power is 750 W and the ultrasonic time is 2 min， and when the ultrasonic power is 500 W and the ultrasonic time is 4 min.

Keywords：cement-based composite material; power ultrasound; rheological property; fluidity; bleeding rate; water reducing agent

（責(zé)任編輯：王惠）