基于液桥理论对高强度混凝土降粘性的机理研究

刘石山 陈灵聪

湖南科之杰新材料有限公司

1 引言

随着建筑技术发展，建筑新技术愈来愈多运用到新的领域，比如在地面建造出超高层建筑，在水面建造出建筑物其他可靠平台，甚至在海洋的深处，开始建造大型的建筑物、结构体等等，随着时代发展的要求，越来越多的严苛条件，比如跨江、跨海、隧道、峡谷、深海等，都需要坚硬的支撑，较高含量的载荷。因此，随着时代的发展，对混凝土的质量，性能包括强度、寿命等，甚至制作的新工艺、新方法，都提出了较高的要求[1-3]。

高标号混凝土，由此顺应时代产生，其主要为等级强度，为C60及以上的混凝土。高标号混凝土，目前是混凝土材料研究的比重较高的发展方向之一，其具有，高强度、硬度高、凝结快、密实性高、均质性高等特点。高标号混凝土的使用，既可以降混凝土结构自身的重量减轻，也可以降混凝土内部构件截面尺寸降低，达到节省资源和节省能源的效果等[4]。

高标号混凝土，主要原材料，采用水泥、粗骨料、细骨料、矿物掺合料、拌合养护用水等一定比例混合而成。但是，高标号混凝土，为达到其超高强度目的的同时，在混凝土配料时用水量却非常低，这样会导致新拌的高标号混凝土黏度会较大，极易造成泵送混凝土的难度增加，泵送的安全事故频发。因此，所谓高标号的超高强混凝土，高黏度问题，成为我国施工问题中泵送施工技术的行业难题之一。所以，研究如何降低超高强度的混凝土的黏度具有重大的意义[5-8]。

目前，常采用的高标号混凝土黏度降低的方法主要包括：配制一定含量的降粘剂、提升一定掺量的减水剂、配合一定比例的引气剂及合理分配一定粒径的颗粒等级等方法[9-11]。但是，减水剂掺量的改变，一方面，很容易引发高标号混凝土，出现泌水扒底及过分缓凝等问题；另一方面，会导致较多成本的投入，性价比相对而言较低；引气剂的掺入，其原理是依据引入气泡，减少骨料等大小颗粒间摩擦力，从而降低混凝土的黏度，其很容易对高标号混凝土强度等产生较多不利的影响；胶材颗粒级配的优化，比如粉煤灰的掺入等，掺合料增加接触面积，降低高标号混凝土黏度，但对高标号混凝土的实际降粘效果，存在一定局限性，并且其不能从根源上解决降粘的问题。近年来，有机降粘剂及高分子羧基酸试剂不断衍生，其降粘的效果比较显著，但对其机理性研究鲜有[12]。

2 基于滴定法机制砂接触角研究

2.1 实验样品与试剂

郝晓文等发现，颗粒物间的桥连作用，是颗粒物间黏附力研究的直接对象，黏度是浆液和固体混合物的表现之一。黏附力影响因素，包括浆液润湿机制砂颗粒过程的接触角，机制砂主要成分碳酸钙等钙基物质浆液的黏附力，是高标号混凝土降黏性研究机理的重要方向。

接触角是浆液及固态颗粒物间黏附力研究的主要因素之一，是研究降黏性的理论基础。以机制砂主要成分之一的碳酸钙为例，研究以Compound NO.3 等为例的高分子聚合物作为降粘剂，对碳酸钙滴定水泥成分的硅酸盐成分的接触角及逆行给你研究。

实验中选取的润湿剂为：曲拉通（Triton X-100）和吐温80（Tween 80），阴离子润湿剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）和Compound NO.3，质量浓度均为0.025%。润湿剂分别溶解于钙基悬浊液中，质量浓度均为0.025%。润湿剂分别溶解于钙基悬浊液中。碳酸钙悬浊液的浓度为25%。

2.2 实验系统和方法

润湿难易通常用接触角来衡量。接触角的测量有多种方法，但本实验的悬浊浆液中含有大量颗粒，因此只能选择座滴法[13]。悬浊液润湿颗粒的图像通过高速摄像机录制并通过量高法测量。润湿实验系统如图1所示。

图1 接触角测量系统简图

具体实验方法为，称取3.8g硅酸盐样品均匀装入容积为3ml坩埚内，并刮平，保证每次实验坩埚中的灰样具有相同的堆积密度。配置的钙基悬浊液在恒温水浴内加热至38℃后用搅拌器搅拌2分钟，搅拌均匀且温度降到30℃时用移液器迅速将液滴滴在灰样表面；同时用高速摄像机拍摄液滴润湿灰样过程。加热台使灰样温度始终为30℃。

配置的钙基悬浊液在恒温水浴内加热至38℃，用搅拌器将悬浊液均匀搅拌2分钟，当悬浊液温度降到30℃时，用移液器迅速将液滴滴在灰样表面；同时用高速摄像机拍摄液滴润湿灰样过程。加热台使灰样温度始终为30℃。

2.3 实验结果

图2 各种高分子聚合物对CaCO3 浆液接触角影响

从图2可知，润湿剂的加入可以显著降低悬浊液润湿颗粒物的接触角，各种钙基悬浊液浓度在10%左右时，有最好的润湿性。但接触角仍大于90°，属于难于润湿范畴。颗粒被润湿的好坏主要与钙基悬浊液的酸碱性、胶束的形成以及电荷的分布有关。而其中，酸碱性是影响颗粒润湿的主要因素：碳酸钙浆液呈弱碱性，选用阴离子表面活性剂的效果较好；其他钙基悬浮液选用非离子表面活性剂的效果较好。实验发现Compound NO.3较好的润湿颗粒。

3 基于降粘剂混凝土倒坍落流动性实验研究

3.1 实验方法

混凝土拌合物的坍落度测试，混凝土倒坍漏空时间，测试参照JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行[14]。

3.2 实验结果

图3 降粘剂对高标号混凝土的倒坍落流动时间影响

图3 可以看出，没有降粘剂Compound NO.3 时，C60 混凝土倒坍落的流动时间较长，约12s 左右；当高标号混凝土加降粘剂后，随降粘剂掺量增加，C60混凝土倒坍落的流动时间会逐渐降低，降粘剂掺量越高，C60 混凝土倒坍落的流动时间就会越短。降粘剂Compound NO.3不同掺量对高标号混凝土倒坍落的流动时间影响，降粘剂在C60 混凝土中的最佳掺量范围不低于

0.4%[15]。

4 结论

本文从润湿水泥主要成分之一的粉煤灰颗粒过程的接触角，高标号混凝土，机制砂主要成分碳酸钙等钙基物质浆液的黏附力，及基于液桥理论的毛细力角度出发，通过实验研究方法，对高分子黏结剂Compound NO.3 等作为降粘剂，对高标号混凝土主要成分的降低黏性的机理进行深入分析：

（1）高标号混凝土，黏结剂机理是，通过改变混凝土浆液对机制砂接触角，及砂浆中黏附力等改变粘附性。

（2）Compound NO.3 等高分子润湿剂，可以降低机制砂表面润湿情况，改变颗粒物间的黏附能力，同时通过改变浆液的黏附力，实质性改变其黏性。