减水剂类型对湿式喷射混凝土的流动性影响研究

郭晓晗

（山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

近年来，湿式喷射混凝土技术因为其所具备的生产效率高、工程质量好等诸多优势，在井下、隧道等施工现场得到了广泛的应用。对于喷射混凝土工艺以及整个系统来讲，要实现高效、稳定的运行，就必须要对管道输送环节予以高度的重视。对混凝土管道输送阻力特性以及降低混凝土输送阻力展开研究，是有效改善湿喷混凝土管道输送效果的重要措施以及关键所在。在工程应用中为了实现混凝土料浆的高流态，高稳定性等优点，通常使用外加剂。外加剂有着诸多的种类，其中减水剂是应用范围最为广泛的凝土外加剂。减水剂可以大幅度提高料浆在管道中的流动性，避免堵管现象发生。

减水剂的种类较多，不同减水剂种类和添加量对水泥基材料的影响是不同的。王小萍认为木质素磺酸盐会缩短水泥凝结时间，王志浩发现三聚氰胺系减水剂和萘系减水剂可以影响碱激发粉煤灰胶凝材料的工作性能。萘系减水剂可有效提高发泡水泥的综合性能。聚羧酸高性能减水剂的适应性比萘系高效减水剂差。

目前对减水剂应用性能及对水泥水化、全尾砂充填料浆流动性、流变性及力学性能的影响研究较多，但对湿式喷射混凝土流动性能的影响研究较少，但流动性能对湿式喷射混凝土效果起重要作用。因此，选用市面上最常用的3 种减水剂，通过坍落度、扩展度等因素研究了减水剂对湿式喷射混凝土材料流动性的影响。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

采用普通硅酸盐PO42.5 水泥，质量符合《通用硅酸盐水泥》 GB175—2020 最新标准要求。细骨料选用泰安东平细度模数为2.8 的中砂，表观密度2650 kg/m，堆积密度1500 kg/m，性能指标符合相关规定。粗骨料采用尺寸为表观密度为2700 kg/m的碎石。三种减水剂分别是聚羧酸减水剂（WH-A）、萘系减水剂（FDN-C） 和木质素减水剂（GS -L），是市面上最常用的混凝土减水剂种类，具有一定的代表性。符合国家现行标准《混凝土外加剂》 （GB8075—87） 的有关规定，不同减水剂相关参数如表1 所示。

表1 减水剂相关性能

1.2 试验方法

试验配比为水∶水泥∶石子∶砂子=0.45∶1∶1.5∶2.25。WH-A掺量为0.35 ～0.5%，梯度为0.05%； FDNC掺量为0.5 ～1.25%，梯度为0.25%； GS -L掺量为1 ～2.5%，梯度为0.5%。

按照《GB/T8077—2012 混凝土外加剂匀质性试验方法》 测量水泥浆体扩展度。按照GB/T2419 -2016 对新拌砂浆做扩展度测试。按照规范《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》 测量新拌混凝土坍落度。

LCPC箱实验使用的实验工具是一个长度为50cm（Lmax）、宽度为20cm、高度为10cm的玻璃通道。将2L混合好的水泥浆、砂浆和混凝土从玻璃通道的一侧倒入（图1a）。让物料静置1 分钟，然后在玻璃水平通道的一侧拍摄照片，得到玻璃通道剖面轮廓（图1b）。其中h 是盒子末端样品的厚度（即物料的厚度），L为混凝土静置时的铺展长度。每种混合物的流动性由L/h 计算得出，L与h 的比值越大，证明其流动性越好。

图1 LCPC箱试验

水泥颗粒的Zeta电位通过马尔文纳米粒度电位仪进行测量。实验方法： 采用去离子水配制的减水剂溶液30mL，加入0.1 g水泥，搅拌静置30 min 后测试上层悬浮液Zeta电位，测试5 次，取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 不同减水剂对湿式喷射混凝土流动性的影响

在没有添加减水剂的情况下，水灰比为0.45 的新拌混凝土流动性很低，坍落度仅为24 mm。与空白组相比，在掺入了不同剂量的减水剂之后，混凝土的坍落度有了明显的提升。三种减水剂中，聚羧酸减水剂对混凝土流动性的改善效果优于另外两种减水剂，坍落度最大可提升至143mm，木质素磺酸盐减水剂对混凝土流动性的改善效果最差。

不同减水剂对新拌混凝土流动性的改善效果呈现出基本相同的规律： 混凝土坍落度并不随着减水剂掺量的增加而增加，而是存在一个临界点，超过该临界点后，继续增加掺量混凝土坍落度几乎不会增大。这是因为加入减水剂后，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，释放出被絮网结构中的拌合水，当减水剂掺量达到某一水平后，物料颗粒之间会形成一种相对稳定的悬浮状态，而在此基础上继续添加减水剂，此时同等剂量的减水剂能够释放出的絮凝水减少，同剂量减水剂的作用效果慢慢减弱。通过实验确定聚羧酸减水剂的饱和掺量为0.5%，萘系减水剂的饱和掺量为1%，木质素磺酸盐减水剂的饱和掺量为2%。

2.2 不同减水剂对水泥净浆流动性的影响

三种减水剂都不同程度地提高了水泥净浆的流动性，其中WH-A减水剂对水泥净浆流动性的影响较其他两种减水剂影响更为显著，GS -L减水剂对水泥净浆流动性的改善效果最差，但其流动保持性较好。同时发现，当减水剂掺量超过混凝土试验中确定的饱和掺量点时，虽然水泥净浆扩展度增幅变缓，但仍不能确定是否已经达到极限扩展状态，可见水泥净浆扩展度试验并不能确定减水剂的饱和掺量。

2.3 不同减水剂对砂浆流动性的影响

曾君发现水泥净浆流动度与混凝土扩展度和坍落度之间的相关性并不好，提出用砂浆扩展度来表征减水剂与水泥的相容性。因此，通过分析不同减水剂类型及掺量对砂浆扩展度的流动性的影响规律，探究减水剂与水泥相容性问题。不同减水剂对砂浆流动性的改善效果与混凝土坍落度试验结果呈现出基本相同的规律： 砂浆扩展度并不随着减水剂掺量的增加而增加，而是存在一个临界点，超过该临界点后，掺量增加砂浆扩展度几乎不发生变化。

2.4 砂浆流动性与混凝土流动性的相关性

2.4.1 水泥净浆扩展度、砂浆扩展度与混凝土坍落度的相关性

通过实验发现，水泥净浆扩展度试验并不能确定减水剂的饱和掺量，而砂浆扩展度试验与混凝土坍落度试验结果呈现出相似的规律。对此，分别对水泥净浆扩展度、砂浆扩展度与混凝土坍落度进行了线性回归分析。水泥净浆初始扩展度与混凝土坍落度相关系数R2为0.876。砂浆初始扩展度与混凝土坍落度相关系数R2为0.957。水泥净浆扩展度、砂浆扩展度与混凝土坍落度都存在良好的相关性，其中砂浆扩展度优于水泥净浆试验结果，与混凝土的实际应用情况相关性更强。

图2 水泥净浆扩展度、砂浆扩展度与混凝土坍落度的相关性

2.4.2 LCPC箱试验

由于水泥净浆扩展度试验、砂浆扩展度试验和混凝土坍落度试验所测试的参数不同，试验所用的模具参数、物料体积都不尽相同。为了能够统一标准、更加直观的观察和分析砂浆流动性与混凝土流动性之间的对应关系，采用LCPC箱实验来研究当掺入不同的减水剂时砂浆流动度与混凝土流动度之间的相关性（见表2 ）。根据前期实验选取不同减水剂的饱和掺量，将其分别加入到三种介质中（包括水泥浆、砂浆和新拌混凝土），观察流动度的变化。

表2 LCPC箱试验结果

实验发现，在减水剂种类与掺量相同的前提下，混凝土的流动性低于砂浆流动性，砂浆流动性低于水泥浆体流动性。在水泥净浆中，水只用来润湿和分散水泥颗粒。但是在砂浆中，部分拌和水被用来润湿细骨料，这使水泥浆体中自由水的含量减少，宏观表现为物料流动性降低。在混凝土中，部分拌合水还要润湿粗骨料，这使得在相同水灰比下，水泥净浆中的自由水含量要多于与混凝土内的自由水含量。

砂浆流动度： M1 ＞M2 ＞M3，混凝土流动度： C1＞C2 ＞C3，二者排序一致。分别对水泥净浆流动度、砂浆流动度与混凝土流动度做线性回归分析，发现与水泥净浆相比，砂浆流动性与混凝土流动性的相关性更好，二者存在较好的对应关系，可作为评判水泥与外加剂相容性的一种便捷方式。

2.5 Zeta电位实验

本试验对萘系减水剂（FDN-C）、聚羧酸系减水剂（WH-A） 和木质素磺酸盐减水剂（GS -L） 进行了试验（本文中所指Zeta电位均指其绝对值）。

在水泥颗粒中加入了减水剂之后，水泥颗粒的表面电位会产生变化。在没有添加减水剂时，表面电位为3.28mV，当加入了减水剂之后，水泥颗粒的Zeta电位绝对值会伴随着减水剂浓度的增加而增加。出现这种情况的原因在于减水剂分子会在水颗粒表面吸附之后产生双电层，而伴随着减水剂浓度的增加，吸附量也会逐渐的增加，进而使得水泥颗粒表面带电荷增大。

三种减水剂中，萘系减水剂溶液中水泥颗粒的初始电位最大，为31.6 mV，但随时间下降的幅度也较大，60 min 后降到11.3 mV。木质素磺酸盐减水剂对水泥浆体系Zeta电位的保持能力较好，60min 后Zeta电位没有发生较大变动，故体系稳定性更强。

聚羧酸减水剂溶液中水泥颗粒的初始电位最低，仅为3.57 mV，这意味着其静电斥力作用较弱。但通过水泥净浆扩展度试验发现，虽然WH-A溶液的Zeta电位较低，但水泥浆体流动性仍然较好。说明聚羧酸系减水剂的分散机理并非静电斥力理论所能解释，其空间位阻效应作用更大。

3 结语

1） 减水剂的加入对水泥基材料流动性提升效果明显。聚羧酸减水剂对水泥基材料流动性改善效果最好，但经时损失较大； 萘系减水剂对水泥基材料流动性改善效果次之，但经时损失最大； 木质素磺酸盐减水剂对水泥基材料流动性改善效果最差，但经时损失最小。

2） 减水剂掺量并不是越高越好，存在饱和点，超过饱和点，流动性几乎没有改善。与水泥净浆流动性相比，砂浆流动度与混凝土流动度之间能够存在更好的对应关系，与混凝土的实际应用情况相关性更强。

3） 静电斥力是萘系减水剂保持体系分散稳定性的主要因素，聚羧酸系减水剂的分散机理并非静电斥力理论所能解释，其空间位阻效应作用更大。