聚羧酸系减水剂对脱水相制备UHPC性能的影响

2022-12-06韦鹏亮余睿蔡昱陈露一董恩来

新型建筑材料 2022年11期

韦鹏亮，余睿，蔡昱，陈露一，董恩来

（1.中铁桥研科技有限公司，湖北武汉 430040；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，湖北武汉 430070）

0 引言

废弃胶凝材料再生微粉是指废弃混凝土在破碎过程中产生的粒径小于0.15 mm，以硬化水泥石相（Hardened Cement Paste，简称HCP）为主要成分的微细粉末[1]。再生微粉在废弃混凝土组分分离工艺中往往被忽视，通常作为惰性材料处理，但再生微粉中硬化水泥石相的存在一般会对混凝土的性能产生负面影响[2-4]。

为进一步提高再生微粉的活性，将其在较低温度下煅烧，获得再水化特性的脱水相材料DSP（Dehydrated Cementitious Powder，简称DSP）[5-7]。已有研究结果表明，脱水相可以替代混凝土中的水泥生产出UHPC、UHSC（Ultra-High Strength Concrete，简称UHSC），并且达到相应工程的服役要求[8]，这对降低UHPC、UHSC的成本、保护环境、促进建筑垃圾资源化利用都具有重要意义。虽然脱水相的加入可以制备出优异性能的生态UHPC，但值得关注的是，脱水相具有很强的吸附性，无法确认减水剂与脱水相结合能否像与水泥结合一样发挥减水效果。因此，研究不同聚羧酸高性能减水剂与脱水相制备UHPC的相容性是非常必要的。

本文通过研究减水剂与脱水相制备UHPC的相容性及对UHPC工作性能、流变性能等方面的影响，为脱水相在UHPC中的大规模利用提供理论参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥（C）：P·I52.5水泥，华新水泥股份有限公司；石灰石粉（LP）：微细石粉，密度为2700 kg/m3，东莞新玛特粉体化工原料有限公司；硅灰（SF）：比表面积达18.5 m2/g，表观密度为2200 kg/m3，成都东南星科技发展有限公司生产，胶凝材料的化学成分如表1所示；砂：粗细2种河砂，表观密度为2610 kg/m3，其中粗砂（S1）粒径为0.63～2.35mm、细砂（S2）粒径为0.15～0.63mm；DSP：由废弃胶凝材料在640℃下煅烧4 h所得到的产物；减水剂：PC-100型、SPT型、A97BS型聚羧酸高性能减水剂，均由中铁桥研科技有限公司生产，其中PC-100型为醚类减水剂（固含量为20%，减水率约为40%），SPT型为醚酯共聚型减水剂（固含量为40%，减水率约为40%），A97BS型为酯类减水剂（固含量40%，减水率约为40%）。本文将PC-100型、SPT型、A97BS型减水剂分别称为sp1减水剂、sp2减水剂、sp3减水剂。

表1 胶凝材料的主要化学成分 %

1.2 配合比设计

混凝土试验配合比如表2所示，水灰比均为0.21，其中A-sp1、A-sp2、A-sp3三组为基准混凝土配合比，3种减水剂固含量不同，掺量也不同，折固掺量相同，均为8 kg/m3；对照组DCP-sp1、DCP-sp2、DCP-sp3为DCP等量替代水泥组，考察不同聚羧酸减水剂对脱水相制备UHPC性能的影响。

表2 掺不同减水剂UHPC的配合比 kg/m3

1.3 性能测试方法

（1）流动度：按照GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试。

（2）凝结时间：依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试。

（3）力学性能：按照GB17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》进行测试。

（4）流变性能：采用Brookfied公司生产的R/S SST 2000型黏滞系数测定仪，净浆测试选用V20×10转子进行测试。仪器转速范围为0.01～1000r/min，剪切应力为0～3.4×104Pa。

（5）Zeta电位：采用英国Malvern公司生产的Zeta-sizer Nano ZS Zeta电位仪对减水剂作用下水泥浆与脱水相复合胶凝体系浆体电势变化情况进行测试。样品制备如下：首先配置不同的减水剂溶液，之后按配合比将1.0 g胶凝材料与10 g减水剂溶液混合并搅拌1 min，将制得的悬浮液稀释后用于Zeta电位测试。

（6）相容性：按照JC/T 1083—2008《水泥与减水剂相容性试验方法》进行测试。以流动度法按标准要求进行测试，并计算60 min经时损失率，具体按式（1）计算：

式中：FL——流动度经时损失率，%；

Fin——初始流动度，mm；

F60——60min流动度，mm。

2 结果与讨论

掺不同减水剂UHPC的性能测试结果如表3所示。

表3 掺不同减水剂UHPC性能测试结果

2.1 初始流动度分析

从表3可以看出，对照组胶凝体系DCP组较基准组的流动度有所减小。这是因为，脱水相具有较强的强吸附效应，会降低减水剂的分散效果，从而减小混凝土的流动性。从3种减水剂的效果对比来看，sp2减水剂制备的A、DCP两组胶凝体系的流动性最好，sp3减水剂制备的A、DCP两组胶凝体系的流动性次之，sp1减水剂制备的流动性最差。

2.2 凝结时间分析

从表3可以看出，6种配合比UHPC的凝结时间差别较大。（1）从基准组和对照组胶凝体系的比较可以看出，脱水相的掺入会较大程度缩短UHPC的初凝时间和终凝时间，Asp1的终凝时间为293 min，而DCP-sp1的终凝时间仅为136 min，这是因为脱水相中含有较多的高活性f-CaO成分，遇水后快速发生反应，并释放出大量热量，进而导致胶凝材料整体水化反应加速，浆体提前达到终凝时间。（2）对比sp1、sp2、sp3三种减水剂可以看出，掺入sp2和sp3减水剂均延长了A、DCP两组胶凝体系的凝结时间。

2.3 相容性分析

从表3可以看出：

（1）基准组A-sp1组的初始、30 min、60 min流动度基本没有变化，说明sp1减水剂与基准组的相容性较好，且具有较好的保坍效果；DCP-sp1组的流动度在前30 min内减小幅度较大，在30～60 min之间流动度减小速率变缓；这可能是DCP的强吸附效应导致其在成浆后30 min内f-CaO快速反应生成Ca（OH）2，消耗大量自由水，而30～60 min内未反应的f-CaO变少，流动度减小变缓。从A-sp2和A-sp3可以看出，sp2减水剂和sp3减水剂配制的基准组流动度较大，但两者保坍效果要弱于sp1减水剂，导致基准组的流动度随时间缓慢减小；sp2减水剂和sp3减水剂对对照组的流动度影响规律与sp1组基本一致。

（2）基准组的30 min、60 min流动度经时损失率均较对照组小，且以A-sp1的保坍效果最好，再次证明基准组与sp1减水剂的相容性较好；从对照组可以看出，sp2减水剂和sp3减水剂均可以减小脱水相的流动度经时损失率，这说明sp2减水剂和sp3减水剂与脱水相的相容性均优于sp1减水剂。

2.4 力学性能分析

从表3可以看出：（1）对照组与基准组UHPC的28 d抗压强度基本相同，虽然对照组略低，但影响不大；（2）不同减水剂对不同胶凝材料体系的影响是不同的。在基准组中，掺sp2减水剂的UHPC抗压强度相对最低，这是因为在试验过程中发现sp2减水剂具有较强的引气能力，混凝土气泡较多，混凝土密实度稍差，导致强度偏低；另外2种减水剂对UHPC的抗压强度影响较小，较为稳定。

2.5 流变性能分析

不同减水剂对UHPC流变性能的影响如图1所示。

图1 不同减水剂对UHPC流变性能的影响

从图1可以看出，随着剪切速率的增大，UHPC浆体的剪切应力几乎呈线性增大，符合典型的胀流型流体的特征。对比基准组和对照组发现，脱水相替代部分水泥制备UHPC时，在剪切速率相同情况下会导致UHPC浆体的剪切应力增大，这是因为基准组胶凝体系与对照组胶凝体系中活性胶凝材料总量不变，采用脱水相替代水泥时，脱水相遇水反应迅速，内部重新生成C-S-H凝胶以及Ca（OH）2且释放出大量热量，这会加速整个胶凝体系的水化速率，浆体中快速积累的水化产物以及脱水相的絮凝状结果的形成会使整个胶凝材料颗粒间作用力增大，屈服应力和塑性黏度都会增大。

2.6 Zeta电位分析

为研究3种减水剂对UHPC胶凝材料Zeta电位的影响，试验增设了分别为基准组和对照组在不掺减水剂情况下2组对比样A-sp0、DCP-sp0，其他6组按表2配合比测试胶凝材料的Zeta电位，结果如表4所示。

表4 不同减水剂对UHPC胶凝材料Zeta电位的影响

从表4可以看出，不掺减水剂时，A-sp0和DCP-sp0组的Zeta电位绝对值较为接近，这是因为脱水相作为再生水泥，其自身矿物组成与水泥还是非常接近，且基准组和对照组活性胶凝材料总量相同，区别只是25%脱水相替代了水泥，所以2组试样的Zeta绝对值较为接近。从3种减水剂的效果来看，sp2减水剂与sp3减水剂均增大了基准组和对照组2种胶凝材料体系的Zeta电位绝对值，Zeta电位绝对值的变大说明胶凝材料的絮凝结构减少或者是团聚变弱，代表体系的分散效果较稳定。另外，sp2减水剂和sp3减水剂对胶凝材料基准组的Zeta电位绝对值提升效果较对照组的要弱，说明sp2和sp3减水剂相对sp1减水剂而言，与脱水相的相容性较好。