固體顆粒對新拌水泥漿氣泡穩(wěn)定性的影響

固體顆粒對新拌水泥漿氣泡穩(wěn)定性的影響

Summary：本文圍繞我國高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)對自密實(shí)混凝土充填層氣泡穩(wěn)定性的總體目標(biāo)要求，研究了水泥、鋼渣粉、礦渣粉、600目石粉、300目石粉、粉煤灰、納米硅酸鈣、納米硅灰、納米硫酸鈣顆粒對水泥漿氣泡穩(wěn)定性的影響。研究表明，在減水劑和引氣劑等表面活性劑的作用下，可引入小孔徑的氣泡，降低氣泡上浮速度；而額外添加納米硅酸鈣、納米硅灰或納米硫酸鈣等納米顆?？梢源蠓鶞p弱氣泡的聚并和增粗，進(jìn)而大幅提升了水泥漿的氣泡穩(wěn)性。Keys：自密實(shí)混凝土；氣泡穩(wěn)定性；納米顆粒高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)為上、中、下三層水平向的夾心結(jié)構(gòu)，上下兩層為提前澆筑好或預(yù)制的混凝土，中間層灌注高流動性的自密實(shí)混凝土。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，上和中兩層需保持良好的粘結(jié)，形成整體結(jié)構(gòu)。但高流動性的自密實(shí)混凝土中氣泡不穩(wěn)定（上浮、增粗和聚并），在上中兩層的界面形成氣泡集聚區(qū)，嚴(yán)重削弱上中兩層的粘結(jié)，進(jìn)而影響整個無砟軌道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)受力和耐久性。根據(jù)自密實(shí)混凝土的物理結(jié)構(gòu)和材料組成，其可看作是氣泡、膠凝材料、砂和石子均勻分散在液相中的懸浮體。而砂和石子的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣泡的尺寸，因此可將自密實(shí)混凝土的氣泡穩(wěn)定性簡化為水泥漿的氣泡穩(wěn)定性。水泥漿可看成懸浮漿體+氣泡構(gòu)成的氣-液-固三相多分散懸浮體，其氣泡穩(wěn)定性不但取決于液相的組成，而且還與分散的固體顆粒的特性密切相關(guān)[1]。在氣-液-固三相懸浮體中，通過外加劑組合獲得了低表面張力和較小的氣泡孔徑[2]。由于氣泡膜上表面活性劑分子親水基的作用，會使得表面帶電性的微細(xì)固體顆粒被液膜吸附。因此，在氣-液-固三相懸浮體中，氣泡膜由水、表面活性劑和微細(xì)固體顆粒組成。通過外加劑組合獲得了低表面張力和較小的氣泡孔徑后，氣泡的上浮速度降低，但仍需控制氣泡之間盡量不產(chǎn)生增粗和聚并。根據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，微細(xì)固體顆粒可降低氣泡之間的增粗和聚并。因此本文將重點(diǎn)研究固體顆粒對水泥漿氣泡之間的增粗和聚并的影響。1試驗(yàn)方法評價(jià)水泥漿中的氣泡是否易產(chǎn)生增粗和聚并，可采用PaulinePetit[1]提出的方法測試氣泡從水泥漿中浮出至表面至破裂的存在時間，定為水泥漿的氣泡穩(wěn)定性。氣泡存在時間越長，水泥漿的氣泡穩(wěn)定性越好。配制的單摻聚羧酸減水劑的水泥漿水膠比為0.4，減水劑摻量為0.37%。單摻聚羧酸減水劑時，液膜中幾乎不含膠凝材料顆粒，為透明液膜。水泥漿中氣泡的穩(wěn)定存在時間為150s，穩(wěn)定性較差。2試驗(yàn)結(jié)果測試了摻不同種類膠凝材料顆粒和外加劑的水泥漿體的氣泡穩(wěn)定存在時間，如表1所示。從表1可以看出，純水泥、鋼渣粉、礦渣粉、600目石粉、300目石粉和粉煤灰配制的漿體氣泡穩(wěn)定存在時間較短，摻納米硅酸鈣、納米硅灰、納米硫酸鈣顆粒漿體的氣泡穩(wěn)定存在時間較長。因此，為了控制水泥漿氣泡的穩(wěn)定存在時間，在水泥漿中摻入納米硅酸鈣、納米硅灰和納米硫酸鈣顆粒。從表1的試驗(yàn)結(jié)果看，摻入30%的納米硅酸鈣、納米硅灰和納米硫酸鈣顆粒都能大幅增加水泥漿的氣泡穩(wěn)定存在時間。表1摻固體粉末顆粒和外加劑的氣泡穩(wěn)定存在時間固體顆粒氣泡穩(wěn)定存在時間/s純水泥150純S115礦粉38純S95礦粉19純納米硅灰>600純納米硅酸鈣>600純600目石粉43純300目石粉15純納米硫酸鈣>600純粉煤灰170%水泥+30%納米硅酸鈣25270%水泥+30%納米硅灰26370%水泥+30%納米硫酸鈣3043討論由于固體顆粒較粗，在自重作用下會下沉，進(jìn)而使氣泡膜變薄、直至破裂。納米硅酸鈣、納米硅灰和納米硫酸鈣顆粒有較好的氣泡穩(wěn)定性可能是由于顆粒的粒徑遠(yuǎn)小于水泥和普通礦物摻合料顆粒。納米顆粒保持附著在氣-液界面上，形成“膠體盔甲”式氣泡膜，阻止氣泡內(nèi)的空氣從液膜中滲透出去。另一方面，納米顆粒為親水性顆粒，氣-液界面與顆粒保持穩(wěn)定的接觸角，毛細(xì)作用使氣泡間拉普拉斯壓力差減小，使氣泡膜變得基本上平坦，不易排水，而且親水性顆粒還可回吸水到氣泡膜中，從而形成穩(wěn)定的氣泡膜[4]。純水泥漿和水泥+納米顆粒漿體中氣泡的表面覆蓋情況對比如圖1所示。從圖1可以看出，純水泥漿中氣泡表面有未覆蓋水泥顆粒的部分，而水泥+納米顆粒漿體中氣泡的表面完全覆蓋固體顆粒，因此其氣泡穩(wěn)定存在時間越長。圖1水泥漿體和水泥+納米顆粒漿體中氣泡的表面覆蓋情況對比.4結(jié)論基于上述試驗(yàn)結(jié)果及分析，可得到提高自密實(shí)混凝土氣泡穩(wěn)定性的措施：（1）選擇合適的表面活性劑可以使氣泡的孔徑更小，降低氣泡上浮速度；（2）添加納米固體顆?？梢源蠓岣咂錃馀莘€(wěn)定存在時間，減弱氣泡的聚并和增粗。Reference[1]M.TylerLeya,KevinJ.Folliardb,KennethC.Hover.Observationsofair-bubblesescapedfromfreshcementpaste[J].CementandConcreteResearch,2009,39:409-416.[2]沈鐘.表面化學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2012[3]李兆敏,