乳胶粉掺量对纤维素醚改性水泥浆体流变性能的影响

骆文进，王丽英

(重庆建筑工程职业学院土木工程系，重庆 400072)

0 引 言

新拌水泥基材料是一种由多种物相组成的悬浮分散体系[1]。水泥浆体在早期阶段通常被认为是黏塑性流体，随着水化反应的进行，浆体的流动性逐渐减弱直至最后凝结硬化为固体。混凝土的工作性可以采用流变性来表征[2-3]。通过流变学的相关参数，比如屈服应力和塑性黏度，可以预测水泥浆体在新拌阶段的流变行为[4-6]。早期的研究认为，新拌水泥浆体属于Bingham模型，即剪切应力与剪切速率之间呈近似线性的增长关系。然而随着研究的深入，研究者们逐渐发现，在某些条件下水泥浆体的黏度随着剪切速率的增长而有所增大或减小，即存在明显的剪切增稠或剪切稀化现象[7-8]。此时通过Bingham模型不能够很好地表征浆体流变参数。

目前，许多学者围绕聚合物改性水泥基材料开展了相关研究。乳胶粉是预拌砂浆中的一种不可或缺的重要组分，它对改善砂浆和易性具有重要作用[9]。同时乳胶粉也可以运用在自流平砂浆当中，它既可以改善流动性能，也可以防止浆体出现离析泌水等不良现象[10]。王培铭等[11]通过对砂浆减水率、含气量、保水率和力学强度等测试发现，乳胶粉具有一定减水和保水作用，并且乳胶粉的掺入提高了水泥砂浆的抗折和黏结抗拉强度。与此同时，同样属于聚合物的纤维素醚已经被广泛应用在水泥砂浆中[12-13]。纤维素醚对砂浆的主要贡献在于其显著提高了砂浆的保水性和稠度，确保砂浆在新拌阶段具有良好的工作性。欧志华等[14]认为，纤维素醚的掺入增大了水泥浆的黏度，并且与纯水泥浆体类似，纤维素醚改性水泥浆体也表现出剪切稀化的性质。上述已有研究成果表明，可分散乳胶粉和纤维素醚的掺入均可以改善水泥浆体的黏结性和保水性。虽然目前针对纤维素醚改性水泥浆体的相关研究较多，但对于乳胶粉和纤维素醚复掺对水泥浆体的改性作用仍然较少。因此，本文从纤维素醚改性水泥浆体的流变特性出发，研究了乳胶粉对纤维素醚改性水泥浆体流变性能的影响。

1 实 验

1.1 原材料和配合比

采用的水泥为基准水泥P·I 42.5水泥，可再分散乳胶粉(PP)和羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)均为山东宸邦精细化工有限公司提供，其性能指标如表1和表2所示。为了提高浆体在新拌时刻的流动性，在原配合比的基础上添加一定量的高效减水剂，类型为聚羧酸高效减水剂(SP)，减水率为23.7%。

表1 可再分散乳胶粉性能Table 1 Properties of redispersible polymer powder

表2 纤维素醚性能Table 2 Properties of cellulose ether

本试验采用的配合比如表3所示。每组的水胶比均控制为0.4，同时掺入质量分数为0.2%的减水剂和纤维素醚。当乳胶粉掺量大于2%(质量分数，下同)时，浆体流动度较小，此时如将浆体倒入流变仪筒内，浆体不能够较好地均匀分布在筒内空间。考虑到上述情况，本试验分别掺入水泥质量0.5%、1%、1.5%、2%的乳胶粉，以及一组不掺乳胶粉的浆体作为对照组。

表3 掺入乳胶粉的纤维素醚改性水泥净浆配合比Table 3 Mix proportion of HPMC modified cement paste with PP

1.2 试验方法

1.2.1 流变测试

采用Anton Paar MCR 302型流变仪进行测试，测试转子为桨式转子，内径和外径分别为22 mm和42 mm。测试条件为温度(20±2) ℃，相对湿度(70±3)%。先将粉体倒入净浆搅拌机充分搅拌后，再加入水和减水剂，慢速搅拌90 s，静停10 s后快速搅拌90 s。随后，将搅拌完成的浆体倒入流变仪内进行测试。流变测试制度为剪切速率由1 s-1对数增大至200 s-1，测试点数量为30，相邻测试点的时间间隔为3 s。

1.2.2 流变参数

流变参数主要包括屈服应力和黏度两个参数。通常而言，新拌水泥浆体可以近似采用Bingham模型来表征，然而考虑到浆体可能表现出剪切增稠或剪切稀化等特性，这里采用Herschel-Bulkey模型[15]来进行参数拟合，其表达式如式(1)所示。

τ=τ0+Kγn

(1)

式中：τ为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；K为黏度系数，Pa·sn；γ为剪切速率，s-1；n为流变指数，当n>1时浆体表现为剪切增稠，当n<1时为剪切稀化。

1.2.3 触变性

由触变性的定义可知，触变性通常包含两个方面：(1)结构可逆的变化，即当流体受剪切时结构发生扰动，而消除剪切力后，结构能逐渐恢复；(2)流体受剪切后，黏度随时间延长而降低。因此，本研究的触变性采用触变滞后环法和三段式测试法两种方法进行。触变滞后环法是在原有剪切制度的基础上增加一个恒定剪切速率的测试段(200 s-1速率保持30 s)和一个剪切速率逐渐下降的测试段(200 s-1降为1 s-1)，测试其形成的触变环面积。三段式测试法为一开始加载一个较小的剪切速率(0.1 s-1)，随后加载一个较大的剪切速率(100 s-1)，最后采用和第一段相同的速率来研究其结构恢复过程。

2 结果与讨论

2.1 流变曲线

图1为掺入乳胶粉的纤维素醚改性水泥浆体的剪切应力-剪切速率曲线和黏度-剪切速率曲线。在新拌水泥浆体中，水泥颗粒并非以单个粒子的形态分散在悬浮液中，而是在多种粒间相互作用下形成部分絮凝结构[16]。添加不同种类的矿物掺合料或者聚合物可能对粒间作用以及絮凝结构的形成造成一定影响。由图1可知，掺入纤维素醚和乳胶粉的复合浆体在测试段内均表现为剪切稀化，即黏度随着剪切速率的增大逐渐减小，在1～50 s-1内，该减小趋势更为明显。乳胶粉的掺入增大了浆体在相同剪切速率下的剪切应力，且当乳胶粉掺量大于1%时，剪切段内各剪切应力值显著增大。

图1 掺入乳胶粉的纤维素醚改性水泥浆体的流变曲线Fig.1 Rheological curves of HPMC modified cement paste with PP

2.2 屈服应力

在新拌阶段，多数水泥复合浆体表现为具有一定屈服应力的流体，即浆体在受到外界剪切作用时，水泥浆体内部的微观结构能够抵抗有限的应力，在此应力范围之内，浆体不发生流动行为；然而当应力超过该临界值时，浆体在宏观上表现出流动性[17]。图2为乳胶粉掺量对浆体屈服应力的影响。由图2可知,随着乳胶粉掺量的增大，浆体屈服应力逐渐增大。当乳胶粉掺量由0%增至1%时，屈服应力由5.173 Pa增加至10.914 Pa；而当乳胶粉掺量由1%增至2%后，浆体屈服应力继续增大到28.757 Pa，增幅为163.5%；当乳胶粉掺量大于1%后，屈服应力随乳胶粉掺量的增长更为显著。

图2 乳胶粉掺量对浆体屈服应力的影响Fig.2 Effect of PP content on yield stress of paste

图3 乳胶粉掺量对浆体黏度系数的影响Fig.3 Effect of PP content on viscosity coefficient of paste

2.3 黏度系数

图3为乳胶粉掺量对浆体黏度系数的影响。该黏度系数是基于Herschel-Bulkey模型的拟合参数，因此与Bingham模型的塑性黏度相似，该参数也能够一定程度上反映浆体的黏度变化情况[18]。与未掺乳胶粉的复合浆体相比，掺入0.5%乳胶粉的浆体黏度系数无显著变化，而当乳胶粉掺量继续增大，黏度系数随乳胶粉掺量的增长近似表现为线性关系。随乳胶粉掺量增加，黏度系数逐渐增大，这可能是由乳胶粉对水的吸附性导致的[19]。乳胶粉掺量的增加使得浆体内更多的自由水被其吸附，水泥浆体中作为分散介质的自由水含量有所减小，浆体颗粒的体积分数有所增加；同时乳胶粉可填充在水泥浆体薄膜中，使浆体内部网状结构更加致密，从而导致浆体屈服应力和塑性黏度增大。

2.4 触变性

图4为掺入乳胶粉的复合浆体触变滞后环，各配合比下的滞后环面积如图5所示。通过对比图4中的上行下行曲线可知，当乳胶粉掺量较小(掺量为0%和1%)时，上行曲线表现为剪切稀化，同时下行曲线的剪切应力则表现为近似线性的下降趋势。而当乳胶粉掺量为2%时，上行曲线和下行曲线均表现为剪切稀化，浆体的假塑性更为显著。通过对各组浆体触变滞后环的面积对比可知，乳胶粉的掺入增大了浆体触变环面积，且乳胶粉掺量越大，触变环面积越大。

图4 复合浆体的触变滞后环Fig.4 Thixotropic hysteresis loop of composite pastes

图5 乳胶粉掺量对触变滞后环面积的影响Fig.5 Effect of PP content on thixotropic hysteresis loop area

图6为采用三段式测试法得到的黏度随测试时间的变化情况，浆体在受剪切破坏后结构恢复率随乳胶粉掺量的变化如图7所示。由于结构恢复率是第三段测试末(120 s)的黏度和第一段测试末(30 s)的黏度之比，该比值越高，浆体内部结构在相同时间下的结构恢复速率越快，触变性越强。由图6可知，对于掺入不同掺量乳胶粉和纤维素醚的复合浆体，黏度随时间的变化趋势接近。在剪切速率为0.1 s-1的第一段，黏度随时间缓慢增长，在30 s处达到最大值；当剪切速率增大至100 s-1时，黏度下降显著且在第二个测试段内继续下降；当剪切速率恢复至0.1 s-1后，黏度迅速恢复并且恢复速率随时间逐渐放缓。由图7可知，不同乳胶粉掺量的浆体结构恢复率分别为84.39%、85.62%、88.33%、91.17%、93.86%。各配合比下浆体在受外部剪切破坏后，60 s以内黏度均能恢复至破坏前的85%以上，且随着乳胶粉掺量的增大，浆体结构恢复速率越快。

图6 浆体的黏度随时间的变化Fig.6 Changes of paste viscosity with time

图7 浆体的结构恢复率随乳胶粉掺量的变化Fig.7 Changes of structure recovery rate of paste with PP content

2.5 流变参数与触变性的关系

图8 复合浆体屈服应力和触变滞后环面积的关系Fig.8 Relationship between yield stress and thixotropic hysteresis loop area of composite paste

图8为复合浆体屈服应力和触变滞后环面积的关系。通过对屈服应力和滞后环面积的拟合结果可知，二者存在较为显著的正向线性关系，直线拟合的相关系数为0.996 5。屈服应力和触变性都是浆体内部存在空间连续的网状结构的体现。在掺入乳胶粉和纤维素醚的复合浆体中，分散的水泥颗粒通过静电作用形成连续网状结构，使得浆体在未受到外界剪切力时的黏度增大，提高了浆体的正触变性。同时屈服应力也是浆体在受到一定剪切作用下由静止转变为流动时所对应的应力，屈服应力越大，浆体需要更大的剪切力才能使其流动，触变环上行段的各剪切应力值越大，因此触变环面积越大。乳胶粉掺量的增大能同时提高浆体的屈服应力和触变性。

3 结 论

(1)掺入乳胶粉的纤维素醚改性水泥浆体流变曲线服从Herschel-Bulkey模型的变化趋势，且均表现为假塑性流体。在剪切速率为1～50 s-1的测试段内，复合浆体黏度下降较为显著。

(2)随着乳胶粉掺量的增大，复合浆体的屈服应力和黏度系数均有所增大。当乳胶粉掺量由1%增至2%时，浆体屈服应力和黏度系数增长更为显著。

(3)采用触变滞后环法和三段式触变测试法得到的浆体触变性表现出相同的变化趋势。随着乳胶粉掺量的增加，触变滞后环面积和结构恢复率均逐渐增大，当乳胶粉掺量达到2%时，滞后环面积增长显著。

(4)掺入乳胶粉和纤维素醚的水泥浆体屈服应力和触变环面积呈正向线性关系，乳胶粉掺量的增大使得浆体内部空间网状结构更为致密，同时提高了浆体的屈服应力和触变性。