以高分子质量生物胶优化自密实混凝土性能的研究*

杨 谦

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳712000)

自密实混凝土制备过程中，必须添加超塑化剂与增稠剂，而由于聚羧酸系列超塑化剂相对于传统超塑化剂，具备更为突出的减水率与更为良好的工作性能，且可长期保持工作性能，因此已发展为自密实混凝土制备的优选超塑化剂[1]。此外因为自密实混凝土坍落度及其扩展度偏大，很容易出现离析泌水现象，所以需根据实际需要适当添加增稠剂。而且自密实混凝土流动性过大与离析泌水加剧间的矛盾始终不可调和[2]，据此为有效缓解此矛盾，本研究以高分子质量生物胶为基础进行了混凝土性能优化。

1 实验

1.1 原料

选用原料主要包括：与《混凝土外加剂》要求相符的基准水泥；与《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求相符的粉煤灰；与《用于水泥和混凝土中的矿粉》要求相符的S95级矿粉，其具体化学组分[3]见表1；以石灰岩碎石与天然河砂为粗细集料；以江苏苏博特新材料企业生产的聚羧酸减水剂作为减水剂；自来水；高分子质量生物胶。

表1 原料组分（单位：%）Table 1 Raw material composition

其中，高分子质量生物胶，即基于产碱菌属培养液所提取菌株，将天然淀粉等碳水化合物当作主原料，以制备而成的生物多糖。高分子质量生物胶制备流程[4]如图1所示。

图1 高分子质量生物胶制备流程Fig.1 Preparation process of polymer mass biological gel

高分子质量生物胶的相对分子质量超出500万，由D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-甘露糖共同构成。为测试高分子质量生物胶的作用效果，实验以聚丙基羟基纤维素醚、羧甲基纤维素醚、温伦胶三种混凝土流变改性剂，进行了对比分析。

1.2 混凝土

通过不同流变改性剂对于自密实混凝土工作性能的影响作用分析，设计混凝土配合比[5]见表2。

表2 自密实混凝土配合比（单位：kg/m3）Table 2 Mixture ratio of self-compacting concrete

一般情况下，自密实混凝土需要消耗更多时间进行搅拌混合，以确保材料混合充分且均匀，即首先干混集料、水泥、粉煤灰、矿粉30s，其次于15s之内添加80%水，混合搅拌1min，最后添加剩余20%水、聚羧酸减水剂、流变改性剂，混合搅拌90s，整个过程持续3min。

1.3 测试方法

以RS-SST软固体测试仪器测试水泥浆体流变性能。浆体通过搅拌机搅拌混合均匀之后，快速转移于流变仪，仪器剪切速率变化具体为五个环节[6]:（1）60s预剪切，速率为100s-1，负责排除水泥浆体可能存在的不均匀性；（2）10s之内，速率下降到0；（3）保持静止状态60s；（4）60s之内速率上升到100s-1；（5）60s之内速率下降到0。在剪切速率整个变化过程中，每间隔1s获取1个数据点，测试室温始终处于20℃，最高剪切速率则保持在100s-1。

以坍落扩展度、T50扩展时间、V漏斗通过时间、J环扩展度、筛析浮浆百分比法测试混凝土填充性、间隙通过性、抗离析性等。在混凝土搅拌混合成型之后，及时测试分析，于10min之内完成所有测试工作。

2 实验结果分析

2.1 流变性能分析

有研究表明新成型水泥浆、砂浆、混凝土会呈现出假塑性、肿胀流体等特征，这时剪切应力-应变曲线通常以赫切尔-巴尔克模型加以分析则更加精确[7]。适度改变流变改性剂类型与掺量，可获取具备不同流变特征的水泥浆体，基于剪切速率变化第五环节的截距与斜率，得知水泥浆体屈服应力与表观黏度，结果具体见表3、表4。

表3 基于不同流变改性剂掺量的水泥浆体屈服应力（单位：Pa）Table 3 Yield stress of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

表4 基于不同流变改性剂掺量的水泥浆体表观黏度（单位：Pa·s）Table 4 Surface viscosity of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

由表3、表4可知，在流变改性剂掺量逐渐增多的趋势下，不同类型流变改性剂都会促使水泥浆体屈服应力、表观黏度有所增大，但是相对来讲，基于高分子质量生物胶的水泥浆体的屈服应力、表观黏度提高的态势比较平缓，这就说明其敏感性相对偏低。如此将会为其在流动性较大的水泥基材料中，特别是自密实混凝土中的实践运用提供便利，可就实际原料与配合比需求，在大掺量范围之内适度调整拌合物的屈服应力、表观黏度，防止了常用流变改性剂掺加之后掺量出现稍微变化，拌合物状态便呈现显著差异，导致难以获得最佳工作性能的不良状况。

测验掺加不同类型流变改性剂对水泥浆体假塑性的影响，基于剪切速率变化第五环节的规律加以分析，发现不同掺量流变改性剂的加入时，所有水泥浆体样本的扩展度都可控制于220±10 mm范围内。而相对于掺加其他流变改性剂的水泥浆体，掺入高分子质量生物胶的水泥浆体假塑性在剪切速率逐步提高的形势下，体系黏度呈现为下降状态。通常情况下，掺入减水剂之后的水泥基材料拌合物会呈现剪切相对变稠的现象，而且水胶比越低，减水剂掺入量越多，粗骨料最大粒径越大，此现象则会愈发明显[8]。

测验掺加不同类型流变改性剂对水泥浆体触变性的影响，基于剪切速率变化第五环节的规律加以分析，以构成整体滞后环，发现所有水泥浆体样本扩展度都可控制于220±10 mm范围内。而相对于掺加其他触变剂的水泥浆体，掺入高分子质量生物胶的水泥浆体触变性最为显著。触变性直接反映了基于外力剪切作用体系结构拆散与重建速率的差异、以及拆散与重建需要能量的差异。流体材料触变性与假塑性不同[9]，触变性反映的是材料剪切黏度基于剪切时间的实时变化规律；假塑性反映的是材料剪切黏度基于剪切速率的实时变化规律。

2.2 工作性能分析

自密实混凝土工作性能具体见表5。

表5 自密实混凝土工作性能Table 5 Performance of self-compacting concrete

由表5可知，所有型号自密实混凝土坍落扩展度都控制于650～750 mm范围内，但是本实验所用混凝土胶凝材料只有419kg/m2，以适度添加更多减水剂的方式扩大了坍落扩展度，但是也在很大程度上加剧了拌合物的离析倾向，自密实混凝土1的V漏斗通过时间、J环扩展度等指标，浮浆百分比等指标都处于劣化态势，与标准要求不符。不同类型和掺量下，流变改性剂在自密实混凝土中的添加，均可有效改善其V漏斗通过时间、J环扩展度、浮浆百分比，相较而言，掺加高分子质量生物胶时自密实混凝土的填充性、间隙通过性、抗离析性等多元性能处于最佳状态。

自密实混凝土在制备且调整时，由于浆体含量偏低，水灰比偏大，而屈服应力和表观黏度较小，极易出现离析现象，而添加流变改性剂，可有效提高其屈服应力、表观黏度。由表5可知，为切实缓解胶材用量低时流动性过大与粘聚性较好之间的矛盾，实验以纤维素醚、温伦胶、生物胶等为辅助使得此矛盾得以解决，但是纤维素醚与温伦胶在提升屈服应力，并防止跑浆与离析等现象时，发生了黏度增大过度的不良现象，流动性也大大降低，T50扩展时间、V漏斗通过时间明显延长。但是生物胶的掺入敏感性比较低，可确保自密实混凝土屈服应力与黏度呈现为平缓增长状态，且流动性与粘聚性较好。

此外为获取较好工作性能，自密实混凝土黏度与屈服应力相伴相长[10]，对此可基于提高拌合物假塑性的方式，削减黏度增长过度所造成的负面影响。混凝土实践应用时，不论翻转、搅拌、泵送、压力、重力灌注，均以外力剪切作用为载体进行操作，所以尽量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可获得良好工作性能。

明显假塑性利于拌合物受力运动时的工作性能，但是终归要回到静止状态，而外力剪切作用则会被消除，此时过低黏度极易造成严重离析。所以自密实混凝土拌合物应同时具备合适的触变性，也就是在外力剪切作用消除之后，拌合物体系动态屈服应力与塑性黏度需基于既定速率恢复重建，不可快速促使混凝土于短时间之内完全丧失工作性能增幅，不可过慢导致难以阻止离析现象。

综上可以看出，高分子质量生物胶掺入自密实混凝土，为拌合物带来了良好屈服应力、表观黏度，较高假塑性、触变性。所以掺加高分子质量生物胶的自密实混凝土工作性能处于最佳状态，还可基于优化泌水率与均衡性，提高硬化之后的整体性能。

3 结论

由于高分子质量生物胶属于典型的假塑性流体，溶液黏度在剪切速率上升时呈现为显著下降态势，因此可切实促使材料生成假塑性与触变性。据此本文以高分子质量生物胶为辅助优化了自密实混凝土。以聚丙基羟基纤维素醚、羧基纤维素醚、温伦胶为基础，与高分子质量生物胶进行了对比实验，并测试了自密实混凝土工作性能，结果表明：相较于纤维素醚与温伦胶，掺加高分子质量生物胶，水泥浆体的屈服应力、表观黏度提高的态势比较平缓，说明其敏感性相对偏低；掺加高分子质量生物胶时自密实混凝土的填充性、间隙通过性、抗离析性等多元性能处于最佳状态，且流动性与粘聚性较好；混凝土实践应用时，不论翻转、搅拌、泵送、压力、重力灌注，均以外力剪切作用为载体进行操作，所以尽量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可获得良好工作性能。总之，高分子质量生物胶掺入自密实混凝土，为拌合物带来了良好屈服应力、表观黏度，较高假塑性、触变性。所以掺加高分子质量生物胶的自密实混凝土工作性能处于最佳状态，还可基于优化泌水率与均衡性，提高硬化之后的整体性能。