水溶性纤维素醚在水泥浆中的作用

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.5水泥絮凝结构图5.7是减水剂分散水泥颗粒简化模型示意图。模型的转化很多研究已验证了水泥-水之间絮凝结构的存在，为了说明减水剂对水泥浆絮凝结构的影响，对以上理论模型进行如下转化。从图5.8可见，对P.Ⅱ52.5R水泥，滤水后水泥浆中水灰比在0.29～0.30之间，而P.042.5R水泥滤水后水泥浆水灰比在0.28～0.29之间。

（1）模型的提出

水泥遇水后将发生絮凝现象，部分拌和用水被包裹于絮团中，混凝土拌和物流动性降低。水泥与水拌和产生絮凝结构（图5.5），其形成原因较多：水泥矿物（C3A、C4AF、C3S、C2S等）在水化过程中所带电荷不同，产生异性电荷相吸而导致；或者水泥颗粒在溶液中的运动，某些边、棱角处互相碰撞，相互吸引而形成；粒子间的范德瓦耳斯引力作用以及初期水解水化反应等均会引起絮凝结构的产生。施工中为了保持所需的和易性，就必须相应增加拌和水量，但是用水量的增加会导致水泥结构中形成过多的孔隙，最终将影响硬化混凝土的物理力学性能。如能将这些多余的水分释放出来，混凝土的拌和用水量可大大减少，适量减水剂的掺入能很好地起到这样的作用。减水剂的作用之一就是将这些包裹水分离出来，以提高混凝土的工作性。减水剂分散机理如图5.6所示，就是利用减水剂这种表面活性剂的某些基团定向地指向水泥颗粒，使水泥颗粒表面有相同电荷，产生电性斥力，该斥力作用远大于颗粒间分子引力而使水泥颗粒所形成的絮凝结构被分散，其间的包裹水也被释放出来，形成减水并增加拌和物的流动性。同时也由于减水剂的加入在水泥表面形成溶剂化水膜，起到润滑作用，客观上也改善拌和物的工作性。另外，由于水泥颗粒被分散，增大了水泥颗粒的水化表面而使其水化更充分，也使混凝土强度显著提高。

图5.5　水泥絮凝结构

图5.7是减水剂分散水泥颗粒简化模型示意图。此处将某一水泥水化絮凝团简化成当量球状体，设其当量直径为D0i，则其体积为πD30i/6，而加入减水剂后这一絮凝团将裂解为一定数量的较小絮凝团或者单个的水泥颗粒，并释放出絮团中的包裹水δVw。这一裂解形态与减水剂的减水能力有关，现用裂解程度γ来表征。γ的含义是表征减水剂对水泥絮凝颗粒的分散程度。因此，裂解后的水泥絮团体积可记为（πD30i/6）γ，则不考虑水泥颗粒对拌和水的渗透影响，掺加减水剂与未掺加减水剂的水泥-水形成的絮凝体积之间存在式（5.4）的关系：

图5.6　减水剂作用机理

图5.7　减水剂分散机理简化模型

πD30i/6=（πD30i/6）γ+δVw

（5.4）

如推广到全部絮凝团时，式（5.4）可记为式（5.5）：

∑πD30i/6=∑（πD30i/6）γ+∑δVw

（5.5）

进一步整理，可得到式（5.6）：

将式（5.6）右端分子和分母同除以Vw0：

即：

1-γ=βVw0/∑（πD30i/6）

（5.8）

式中：Vw0为（单位）用水量；β为减水剂减水率，等于∑δVw/Vw0。

将βVw0/（∑πD30i/6）定义为减水剂分散因子，以L表示。其意义为：减水体积与初始絮凝团体积之比，此值将趋近于某一定值，该值越大，减水剂的减水能力越强。

（2）模型的转化

很多研究已验证了水泥-水之间絮凝结构的存在，为了说明减水剂对水泥浆絮凝结构的影响，对以上理论模型进行如下转化。

水泥混凝土拌和水有两种作用：一是保证水泥水化过程的进行；一是使新拌水泥浆或混凝土混合物具有足够的流动性，以便于浇捣成型。在目前的工艺条件下，满足后者要求的需水量常大于前者所需的最低需水量，这时多余的水容易伴生离析，削弱集料和水泥浆的黏结强度。在水泥-水分散体系中，其固体粒子的表面都存在一个吸附水和扩散水层。当固相粒子的浓度足够时，它们在分子力的作用下，通过水膜互相联结成为一个凝聚空间结构网。如果水泥—水体系中的水量过少，就不足以在固相粒子表面形成吸附水层。同时也由于缺少水分，粒子也不能在热运动作用下互相碰撞而凝聚，这时水泥浆表现出松散的状态。如果原始加水量过高，则分散的固相粒子所形成的凝聚结构空间网所能占有的体积会小于原始的水泥—水体系所占有的空间，这时会出现水分的分离。对于某一确定的水泥浆来说，应有一个适当的加水范围，在这个范围内，水泥浆能够形成凝聚结构，并且凝聚结构空间网能基本上占满原始的水泥—水体系的空间。

水泥与水接触即有水化反应的发生，其水化进程分为诱导前期、诱导期、加速期、减速期和稳定期。在诱导前期和诱导期水泥保持浆体状态，其后将出现水泥浆硬化现象，两个阶段保持在若干小时范围内，因此测定水泥浆流变性能应在这个时间段内完成。诱导期，也称静止期或潜伏期，该阶段反应速率极其缓慢，大约在水泥水化开始的2～4h内，在此阶段水泥浆体保持塑性。潜伏期中，恰当制备的水泥浆是一种处在絮凝状态中的颗粒的浓厚悬浮体。絮凝状态应看作整个水泥浆是由一种单一的絮凝结构所组成，这种结构是一种比较均匀的水泥颗粒的网状结构。而且这种絮凝结构可以被表面活性剂，尤其是减水剂或者高效减水剂所改变或破坏。

图5.8　不同水灰比下滤水量及滤水后水灰比

为研究新拌水泥浆中水的存在状态的差异，将不同水灰比的水泥净浆在真空度为0.1MPa下进行滤水，研究滤水重量随水灰比的变化，以及非可滤水灰比与初始水灰比的关系，结果如图5.8所示。从图5.8可见，对P.Ⅱ52.5R水泥，滤水后水泥浆中水灰比在0.29～0.30之间，而P.042.5R水泥滤水后水泥浆水灰比在0.28～0.29之间。可见，不论是哪种水泥，滤水重量均随初始水灰比增加而增加，滤水后水泥浆中的水灰比趋于恒定值，相当于标准稠度（按国家标准测定）水灰比（Kh）。抽滤完水泥浆中自由水后，得到的水灰比在0.28～0.30之间，说明在水泥—水体系中，除了有自由水存在，还有相当数量的吸附水，属于较强的结合状态，在此真空度下不能被抽滤。

图5.9是水泥—水体系的体积随w/c变化关系。Kh表示标准稠度水灰比，Km表示水泥浆形成凝聚结构所必须的最小水灰比，Kp表示水泥—水体系的空间形成可逆触变凝聚结构而不产生明显分层时的最大水灰比。标准稠度的水泥浆，是在此水灰比下，水泥浆的固相粒子表面有一个最小的溶剂化层，且在溶剂化的固相粒子之间的空隙也充满水。形成凝聚结构所需的最低水灰比（Km），是指此时水泥浆固相粒子的溶剂化程度及其空间排列的情况与标准调度的水泥浆相同，只是在溶剂化固相粒子的空隙中不是完全充满水而是部分地填充空气。当水灰比大于标准稠度水灰比在Km～Kp范围内，水泥浆中的溶剂化固相粒子在分子力作用下形成的凝聚结构能够充满水泥—水体系的空间，而不产生明显的分层。当水灰比小于某一数值Km时，水泥浆呈现松散区，当水灰比大于Kp，则水泥浆产生明显的析水现象，形成沉降区。关于Km、Kh以及Kp之间的经验关系如下：(www.chuimin.cn)