基于接触角的低水胶比水泥浆体干燥收缩影响因素研究

陈国福，宋开伟，张航，石从黎

（1重庆市建筑科学研究院，重庆400015；2重庆建工新型建材有限公司，重庆400015）

基于接触角的低水胶比水泥浆体干燥收缩影响因素研究

陈国福1，宋开伟1，张航1，石从黎2

（1重庆市建筑科学研究院，重庆400015；2重庆建工新型建材有限公司，重庆400015）

该文介绍了一种基于表面物理化学中薄层渗透原理的水泥基材料接触角测试方法，结合Washburn方程x2=（Refft/2η）γ1cosθ，得出了模拟孔溶液对水泥浆体的接触角，研究了减水剂和矿物掺合料对水泥净浆接触角和干燥收缩的影响，结果表明：接触角越大液体越不易浸润毛细孔孔壁，孔中液相表面张力越小引起的毛细孔压力越小，干燥收缩越小，反之亦然。

水泥基材料；干燥收缩；薄层渗透；接触角

0 引言

接触角又称润湿角，当液体在固体表面形成液滴达到平衡时，在气、液、固三相交界点处，沿气-液界面切线与固-液界面之间的夹角为接触角θ[1]。接触角是一种量化硬化水泥石内部毛细孔壁亲水性的重要指标[2]。众所周知，水泥混凝土的收缩开裂性质是影响其耐久性的重要因素，目前对于水泥石收缩机理研究存在很多争论，其中“毛细管张力学说”是公认的经典理论[3]。根据Laplace方程△P=2δcosθ/γ可知，当水泥石毛细孔半径相同时，毛细管出现弯液面的附加压力大小主要取决于液相的表面张力以及液相与孔壁之间的接触角[4]，表面张力可以测得，而目前关于接触角的测试鲜有报道。因此，有必要运用接触角表征方法探索水泥石收缩的机理和主要影响因素。

本文借鉴了表面物理化学中薄层渗透法的基本原理[5]，经过大量的前期试验，研究了预接触、水胶比、粉末粒径、悬浮液浓度、粉末载体、滴加方式等对接触角测试的影响，经过不断优化分析确定了水泥基材料接触角测试方法，结合Washburn方程[6]x2=（Refft/2η）γ1cosθ，实现了孔隙水对水泥浆体的接触角定量计算，并采用该方法研究了减水剂和矿物掺合料对水泥净浆接触角和干燥收缩的影响。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：基准水泥。外加剂：重庆三圣特种建材有限公司生产的聚羧酸减水剂（PCA）、氨基磺酸盐减水剂（JM）、萘系减水剂（FDN），重庆建研科之杰有限公司生产的聚羧酸减水剂（Piont-400s），重庆正泰化工有限公司生产的木钙减水剂（MG）。水：蒸馏水。粉煤灰（FA）：珞璜Ⅱ级灰。矿粉（SL）：睿亮S95级。硅灰（SF）：重庆锦艺硅材料有限公司生产的高纯硅灰。模拟孔溶液：采用NaOH、KOH溶液配制[7]。

1.2 配合比

研究了减水剂和矿物掺合料对水泥净浆接触角的影响，每组成型4个40×40×160mm试件，3个测收缩，1个测接触角。掺减水剂水泥净浆配比见表1，水胶比0.30，每种外加剂有效固掺量相同，掺矿物掺合料水泥净浆配比见表2，水胶比0.35，粉煤灰掺量为20%、40%，矿粉掺量50%、70%，硅灰掺量5%、10%。

表1 掺不同种类减水剂水泥净浆配合比

1.3 接触角试验方法

1.3.1 试验原理

根据Washburn方程的定义，它可以描述液体水平传导时传导距离与传导时间的关系[8]。

表2 掺不同矿物掺合料水泥净浆配合比

式中x为液体前缘前进的距离，R为薄板的有效半径，t为渗透时间，η为液体粘度，γl为液体的表面张力，θ为接触角。20℃时，η乙醇：1.2cp，η孔溶液：3.6cp，η水：1.0cp，γ乙醇：22.4mN/m，γ孔溶液：69.0mN/m，γ水：72.0mN/m。

试验采用低表面张力的液体作渗透液，在渗透前让薄板与其蒸气预接触，以形成双重膜，确保θ=0°[9]，渗透距离x2与时间t的增长呈线性关系，从而计算出渗透等效半径Refft。每块板的板参数Refft已知，进而利用其它液体在已知R的薄板上作渗透液即可测得液体对板的接触角[10]。

1.3.2 试验过程

接触角测试装置示意图见图1。首先，将水泥净浆粉磨过3μm筛，配制质量浓度为5%的悬浮液，采用滴管滴加液体于载玻片并烘干。然后，将载玻片置于密闭容器中与待测液体饱和蒸汽预接触24h。最后，使液体表面与板平行，将薄板与脱脂棉轻微接触，并同时开始计时，记录液体渗透前缘到达不同距离时所需要的时间。

图1 薄层渗透法测接触角装置示意图

1.4 收缩试验方法

水泥净浆试体尺寸为40mm×40mm×160mm，试体脱模后测原长，直接入温度为（20±2）℃，相对湿度为（60±5）%的恒温恒湿室，在规定龄期测量变形，测量仪器采用水泥混凝土干燥收缩快速测量仪，精度0.001mm。

2 结果与讨论

2.1 减水剂的影响

测试了掺减水剂水泥净浆14d干燥收缩和接触角。参见表3、表4。

表3 掺减水剂水泥净浆接触角试验结果

表4 掺减水剂水泥净浆干燥收缩试验结果（×10-6）

由表3可以看出，不论掺加何种减水剂，dx2-dt线性相关，孔溶液对水泥净浆的接触角均在20°～40°之间，水泥净浆表现为亲水性，不同配比水泥净浆接触角由大到小依次排列为PCA、Piont-400s、FDN、MG、JM、基准，掺聚羧酸减水剂后水泥净浆接触角增大，亲水性降低，萘系减水剂对水泥净浆亲水性影响较小，不掺减水剂水泥净浆接触角最小，亲水性最好。由表4可以看出，相应龄期不同配比水泥净浆的干燥收缩由大到小排列为基准、JM、MG、FDN、Piont-400s、PCA，接触角增大趋势与干燥收缩减小趋势相同，说明在减水剂对孔隙水表面张力、毛细孔半径影响有限的条件下，其改变了毛细孔壁的接触角，即亲水性，与不掺减水剂的水泥石相比，毛细孔中的溶液更不容易浸润孔壁使θ增大，θ越大毛细孔中液相表面张力就越小，引起的毛细孔压力就越小，干缩越小。

2.2 矿物掺合料的影响

测试了水泥净浆14d干燥收缩和接触角。参见表5、表6。

由表5可以看出，乙醇和孔溶液对水泥净浆的渗透距离-时间线性相关，孔溶液对水泥净浆接触角在20°～40°。水泥净浆表现为亲水性，不同配比水泥净浆接触角由大到小依次排列为FA40%、FA20%、基准、SL50%、SL70%、SF5%、SF10%，掺粉煤灰后，水泥净浆接触角增大，亲水性降低，且FA掺量越高接触角增大越明显，掺矿粉、硅灰后，接触角减小，亲水性增高，且二者掺量越高接触角减小越明显。由表6可以看出，相应龄期不同配比水泥净浆的干燥收缩由大到小排列为SF10%、SF5%、SL70%、SL50%、基准、FA20%、FA40%，接触角增大趋势与干燥收缩减小趋势相同，说明在矿物掺合料对孔隙水表面张力、毛细孔半径影响有限的条件下，其改变了毛细孔壁的接触角，即亲水性，θ越大毛细孔中液相表面张力就越小，引起的毛细孔压力就越小，干缩越小。

表5 掺矿物掺合料水泥净浆接触角试验结果

表6 掺减水剂水泥净浆干燥收缩试验结果（×10-6）

3 结论

采用薄层渗透法检测模拟孔溶液对水泥净浆的接触角，在恒温密闭条件下样品平均等效半径大，普遍大于200nm，渗透速率快，渗透前缘显著均匀，渗透距离x2与时间t的发展呈线性关系，测得接触角在20°～40°间，符合水泥浆体亲水的宏观现象。水泥净浆中掺加减水剂、粉煤灰后模拟孔溶液对水泥净浆的接触角增大，相应龄期的干燥收缩减小，掺加矿粉、硅灰呈相反趋势，且矿物掺合料随掺量增加接触角增大或减小更为明显。经对相应龄期水泥净浆接触角与干燥收缩的分析表明：水泥净浆干燥收缩与接触角的变化趋势相反，接触角θ越大，液体越不易浸润毛细孔孔壁，孔中液相表面张力越小引起的毛细孔压力越小，干燥收缩越小，反之亦然。

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Study on Influential Factors of Drying Shrinkage of Contact Angle-based Cement Paste with Low Water-binder Ratio

Test methods for contact angle of cement-based material based on surface physical chemical thin-layer wicking theory are introduced and, combined with Washburn equation x2=（Refft/2η）γ1cosθ,the contact angle of cementpaste to the analog hole solution is obtained.The impactof water reducer and mineraladmixtures on cementpaste contactangle and drying shrinkage is studied.The results showe thatthe larger the contactangle is,the harder liquid infiltrates the capillary wall,the smaller the surface tension of the liquid in the hole is,the smaller the pressure caused by pores is,the smallerthe drying shrinkage is,and vice versa.

cement-based materials;drying shrinkage;thin-layer wicking;contactangle

A

1671-9107（2014）09-0053-03

基金论文：该论文为重庆市自然科学基金项目（项目编号：cstc2013jjA50010）和重庆市科委应用开发项目（项目编号：cstc2013yykfA0153）论文之一。

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.09.053

2014-04-09

陈国福（1972-），男，重庆人，研究生，高级工程师，主要从事建筑材料及地基基础研究。