Brookfield博勒飞流变仪进行聚合物改性水泥胶浆流变性能试验

   
摘要: 针对目前道路工程领域有关聚合物改性水泥胶浆流变性能的系统研究较少的现状，试验研究了丁苯聚合物乳液对水泥胶浆力学性能的影响，通过 Brookfield R/S Plus 旋转粘度测试仪，分析了高效减水剂、剪切速率、丁苯聚合物乳液以及矿物掺和料对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响。试验结果表明: 加入丁苯聚合物乳液能够显著提高水泥胶浆的柔韧性，降低其脆性; 高效减水剂对聚合物改性水泥胶浆的流变性能有显著影响，其屈服应力及塑性粘度随高效减水剂掺量的增大而逐渐减小; 聚合物改性水泥胶浆的流变曲线符合宾汉姆流体模型 ( Bingham fluidmodel) ，随着丁苯乳液掺量的不断增加，水泥胶浆的流变性能得以逐渐改善; 聚合物改性水泥胶浆的剪切应力及塑性粘度随着粉煤灰掺量的增大出现一定程度的增长随着矿粉掺量的逐渐增大，其剪切应力及塑性粘度出现一定程度的下降，但下降幅度并不明显。
关键词: 道路工程; 聚合物改性水泥胶浆; 流变性能 ; 高效减水剂; 粉煤灰; 矿粉
中图分类号: U414. 1+ 5. 03文献标识码: A文章编号: 1002 －0268 (2012) 09 －0008 －05
 
0 引言
我国很多道路工程结构随着其使用年限的增长，老化及病害现象已非常严重，如何更好地提高道路工程结构的使用性能，有效延长其使用寿命，使其在节省投资的前提下出色地发挥工程效益，成为目前工程界关注的重大课题［1 －2］ 。水泥混凝土是目前道路工程领域最大宗的建筑材料之一，但是在使用过程中水泥混凝土经常遇到相关质量问题，如窝蜂麻面、空洞、大面积损坏等，这些问题严重影响了结构物使用性能［3］。“有机复合化”是目前水泥混凝土增强改性的主流趋势，在这一趋势下，聚合物改性水泥混凝土 (PMC) 是典型的新型混凝土材料形式。聚合物改性水泥混凝土 (PMC) 是以聚合物(主要包括聚合物乳液与聚合物胶粉)、水泥为胶结材料与骨料结合而成的，该材料体现了无机胶凝材料与有机高分子聚合物相结合的优点，有效克服了普通水泥混凝土抗拉强度低、脆性大、易开裂、耐化学腐蚀性差的缺点［4 －5］ ，由于其优良的性能，聚合物改性水泥基材料在道路工程领域得到了越来越广泛的应用。作为一种有机高分子材料，聚合物的塑性粘度较大，某些聚合物与水泥、集料等无机材料共混后，水泥浆体粘聚性显著提高的同时，经常会出现流变性能劣化等问题，从而显著影响其施工能。相关研究表明，粉煤灰、矿粉等矿物掺和料可以显著影响新拌水泥基材料的流变性能，从而直接影响硬化后水泥基材料的力学及耐久性能 ［6 －8］ 。目前缺乏对于聚合物改性水泥胶浆流变性能的系统研究，并且很少有文献涉及到矿物掺和料对聚合物改性水泥基材料流变性能的影响，本文研究了高效减水剂、剪切速率、聚合物以及粉煤灰与矿粉等矿物掺和料对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响，这些成果将为其在道路工程领域的推广应用提供相关参考依据。
 
1 试验
1. 1 原材料
(1) 水泥: 采用湖北华新水泥股份有限公司生产的 P·O42. 5 普通硅酸盐水泥，水泥的物理力学性能指标为标准稠度 28. 4%，初凝时间 135 min，终凝时间 210 min，安定性合格。3 d 抗折强度 7. 6 MPa，28 d 抗折强度9. 5 MPa; 3 d 抗压强度28. 2 MPa，28 d抗压强度 53. 4 MPa，其物理性能如表 1 所示，化学成分如表 2 所示。
  (2) 聚合物乳液: 采用上海 BASF 公司生产的丁苯 SD623 聚合物乳液，其颗粒平均粒径为 168. 4 nm，具体颗粒粒径分布如图 1 所示，聚合物乳液固含量为47%，最低成膜温度为11 ℃。
  (3) 矿物掺和料: 采用武汉阳逻电厂 I 级粉煤灰以及武钢矿渣微粉 (简称矿粉)，其物理性能如表1 所示，化学成分如表 2 所示。(4) 减水剂: 选用武钢浩源外加剂厂生产的FDN 萘系磺酸盐高效减水剂。
 
1. 2 试验方法
(1) 力学性能
将各个配比的聚合物改性水泥胶浆的流动度控制在 180 ～200 mm 之间，按照 《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005) ［9］ 要求，制成40 mm × 40 mm × 160 mm 的棱柱试体，采用水中养护7 d 后再进行自然干燥养护，养护至规定龄期后测试其抗压、抗折强度。
(2) 流变性能
聚合物改性水泥胶浆的流变性能采用 BrookfieldR/S Plus 旋转粘度测试仪进行测试。通过仪器的不同型号转子测试不同类型浆体的塑性粘度 η 及其屈服应力 τ，试验温度固定在 (20 ±0. 1)℃。其中在各水泥胶浆测试试样的水灰比固定为0. 45，水泥胶浆的工作性能按照 《混凝土外加剂匀质性试验方法》 (GB/T 8076—2000) ［10］ 进行，采用圆环流动度表示，流动度控制在 180 ～200 mm 之间。
 
2 结果与讨论
2. 1 聚合物对水泥胶浆力学性能的影响
聚合物对水泥胶浆力学性能的影响如表 3 所示，相比水泥胶浆空白样，聚合物改性水泥胶浆的抗压强度下降幅度较为明显，但其抗折强度出现了一定程度的提高，聚灰比 20% 的聚合物改性水泥胶浆28 d 抗压强度为 35. 5 MPa，相比空白样降低了33. 9%，其抗折强度达到 9. 86 MPa，相比空白样提高了 28. 2%。折压比在一定程度可反映材料的柔韧性 ［3 －4］ ，分析聚合物乳液对水泥胶浆折压比的影响，相比空白样，聚合物改性水泥胶浆的折压比出现一定程度的增大，并且聚合物改性水泥胶浆的7 d 折压比明显大于 28 d 折压比。20% 聚灰比的聚合物改性水泥胶浆的 28 d 折压比为 0. 278，相对空白基准样水泥胶浆的 28 d 折压比提高了 94. 4%，可见聚合物乳液的加入可显著提高水泥胶浆的柔韧性，降低其脆性。
  2. 2 高效减水剂对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响
FDN 萘系磺酸盐高效减水剂对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响如图 2 所示。随着高效减水剂掺量的不断增加，聚合物改性水泥胶浆的屈服应力与塑性粘度均出现明显下降。由于掺入高效减水剂以后，高效减水剂的分子吸附到水泥颗粒表面，改变了水泥颗粒的物理与化学特性，使水泥颗粒表面得到高的表面电荷，相同电荷导致颗粒之间互相排斥，从而增加水泥颗粒之间的排斥力，具有解凝和分散作用，使絮凝体中被包裹的游离水释放出来，并可以大大降低水泥屈服应力与塑性粘度，从而显著增加浆体的流动性 ［11 －12］ 。
  2. 3 剪切速率对聚合物改性水泥胶浆瞬态流变性能的影响
粘度测试仪转子的剪切速率对聚合物改性水泥胶浆瞬态流变性能的影响如图 3 所示。随着测试时间的延长，不同剪切速率下试样的塑性粘度均出现了一定程度的降低，其中剪切速率较低试样的塑性粘度降低幅度明显大于剪切速率高的试样，测试时间为 200 s 时，剪切速率为 100 s－1 的试样塑性粘度降为 0. 46 Pa·s，相比其初始塑性粘度 0. 80 Pa·s降低了 42. 5%。
  分析剪切速率对聚合物改性水泥胶浆塑性粘度的影响规律，当剪切速率为60 s－1 时，其塑性粘度达到较大值，略大于剪切速率为 100 s－1 的试样，但明显大于剪切速率为 150 s－1 及 200 s －1 的试样。随着剪切速率的进一步增大，聚合物改性水泥胶浆的塑性粘度出现显著下降，剪切速率为 200 s－1 时，其塑性粘度明显小于较大剪切速率的试样，但是与剪切速150 s－1 试样的塑性粘度相差不大。
 
2. 4 聚合物掺量对水泥胶浆流变性能的影响
分析不同丁苯 SD623 聚合物乳液掺量对水泥胶浆流变性能的影响，如图 4 所示。在剪切速率逐渐增大 (从 0 ～200 s－1 ) 的第1 阶段，随着丁苯乳液掺量的逐渐增大，水泥胶浆的塑性粘度出现一定程度的降低，但这种降低幅度并不明显。但在剪切速率逐渐减小 (从200 ～0 s－1 ) 的第 2 阶段，聚合物乳液的加入对水泥胶浆粘度的降低作用更加明显。与此同时，与不掺聚合物的基准水泥胶浆空白样对比，丁苯乳液改性水泥胶浆的塑性粘度显著降低，说明丁苯乳液的加入使得水泥胶浆的流变性能得以明显改善，且随聚合物乳液掺量的增大改善效果趋于明显。
   
分析聚合物改性水泥胶浆剪切应力与剪切速率之间的关系，其流变曲线符合宾汉姆流体模型，宾汉姆流体流变方程 ［13］为:
τ = τ 0+ ηplγ，(1)
当 τ ＜ τ 0 时，ηpl =0，γ = ∞;
当 τ≥τ 0 时，τ = τ 0+ ηplγ，
式中，τ 为剪切应力; τ 为屈服应力; η pl 为塑性粘度; γ 为剪切速率。
聚合物改性水泥胶浆的剪切应力与剪切速率近似呈直线对应关系，宾汉姆流体模型的主要特点是存在屈服应力，当施加的剪切应力 τ 大于屈服应力 τ 0时，聚合物改性水泥胶浆才会发生流动，具有典型的塑性液体性质; 当剪切应力 τ 小于屈服应力 τ 0 时，聚合物改性水泥胶浆没有流动性，表现为固体形态。
 
2. 5 矿物掺和料对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响
研究了粉煤灰与矿粉对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响，其中粉煤灰与矿粉分别按照 0、5%、10%、15%、20% 等 5 种掺量等质量取代水泥。粉煤灰对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响如图 5所示，分析其剪切应力与剪切速率之间的对应关系，掺加粉煤灰后，聚合物改性水泥胶浆的流变曲线符合宾汉姆流体模型。随着粉煤灰掺量的增大，聚合物改性水泥胶浆的剪切速率逐渐增大，其塑性粘度也随之出现一定程度的提高，当粉煤灰掺量不大于15%时，聚合物改性水泥胶浆塑性粘度的提高幅度并不明显，当粉煤灰的掺量大于 15%，其塑性粘度出现较大程度的提高。
  由图 5 可知，由于粉煤灰的表观密度明显小于水泥，当采用粉煤灰按照一定比例等质量取代水泥，相当于增大了浆体中胶凝材料的比表面积，当粉煤灰的掺量不高时，由于粉煤灰表面光滑致密，其“滚珠效应”可以抵消一部分水泥颗粒之间的摩擦力［14］ ，表现为聚合物改性水泥胶浆的塑性粘度提高程度不大。但随着粉煤灰掺量的逐渐增大，胶凝材料的需水量逐渐增加，水泥颗粒之间的摩擦力与附着力显著提高，从而导致聚合物改性水泥胶浆的屈服应力与塑性粘度出现较大幅度的增加。
   
分析矿粉对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响，如图6 所示。矿粉对聚合物改性水泥胶浆流变性能的影响规律相比粉煤灰具有明显的差异性，随着矿粉掺量的增大，聚合物改性水泥胶浆的剪切应力与塑性粘度出现一定程度的降低，但降低程度并不明显。由图 6 可知，矿粉颗粒呈碎石状，表面光滑致密，吸水率很低，并具有潜在的水硬活性，细小的矿粉颗粒表面会吸附大量聚合物颗粒，并有效分散了水化产物凝胶，稀释了整个体系中水泥水化产物的体积比例，减缓了凝胶体系的凝聚速度，并对水泥水化以及聚合物薄膜形成的絮凝状产物有解絮作用，使得聚合物改性水泥胶浆的流变性能出现明显改善［15 －16］ ; 另一方面，随着矿粉掺量的增大，活性较高的矿粉颗粒能够不断填充在水泥浆体的孔隙中，从而取代了部分原在水泥浆体孔隙的自由水。因此矿粉的加入能够减少胶凝材料的需水量，并且在一定程度上提高聚合物改性水泥胶浆中自由水的含量，从而减小了其剪切应力与塑性粘度。
 
3 结论
本文通过对聚合物改性水泥胶浆流变性能的试验研究，得出以下结论:
(1) 相比空白样，聚合物改性水泥胶浆的抗压强度下降幅度较为明显，但其抗折强度出现了较大幅度地提高; 20% 聚灰比的聚合物改性水泥胶浆的28 d 折压比为 0. 278，相对空白样水泥胶浆提高了94. 4%，表明丁苯聚合物乳液的加入可显著提高水泥胶浆的柔韧性，降低其脆性。
(2) 萘系磺酸盐高效减水剂对新拌聚合物改性水泥胶浆的流变性能产生了显著影响，随着高效减水剂掺量的不断提高，聚合物改性水泥胶浆的屈服应力与塑性粘度出现明显降低。
(3) 随着测试时间的延长，聚合物改性水泥胶浆的塑性粘度出现明显下降，与此同时，其塑性粘度随着流变测试仪剪切速率的增大而不断降低。聚合物改性水泥胶浆的流变曲线符合宾汉姆流体模型，聚合物的掺加可显著改善水泥胶浆的流变性能。
(4) 粉煤灰与矿粉的掺入对聚合物改性水泥胶浆的流变性能产生了显著影响，随着粉煤灰掺量的不断增大，聚合物改性水泥胶浆的剪切应力与塑性粘度出现一定程度的降低，主要原因是由于粉煤灰的加入明显增大了胶凝材料的比表面积，导致其需水量明显提高; 采用不同掺量的矿粉等质量取代水泥，聚合物改性水泥胶浆的剪切应力与塑性粘度均出现一定程度的降低，分析原因是由于矿粉的加入减缓了浆体凝胶体系的凝聚速度，对水泥水化以及聚合物形成的絮凝状产物及聚合物薄膜有解絮作用，并且矿粉有效填充了聚合物改性水泥胶浆内部的孔隙，增大了浆体内部自由水的含量。
 
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