功率超声对水泥基复合材料流变性能的影响

摘要：为提高水泥颗粒的分散均匀性，研究功率超声对水泥基复合材料流变性能的影响，采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，以萘系减水剂FDN-C为减水剂，采用功率超声对水泥浆体进行预分散处理，在不同水灰质量比（0.50、0.55）、超声功率（250、500、750 W）、超声时间（0～4 min）下测试浆体的流动度和泌水率，研究功率超声对水泥浆体流变性能的影响。结果表明：超声时间相同时，水泥浆体的流动度随超声功率的增大而增大，泌水率随超声功率的增大而先减小后增大，超声功率为750 W时，不同水灰质量比的水泥浆体的流动度和泌水率均最大；超声功率相同时，超声作用4 min后2种水灰质量比水泥浆体的流动度均最大，水灰质量比为0.50水泥浆体的泌水率随超声时间的增大而呈减小→增大→减小→增大的变化趋势，超声作用3 min时，水灰质量比为0.55水泥浆体的泌水率继续增大。相比减水剂，功率超声在更短时间内改变水泥浆体的流变性能，超声功率为750 W、超声时间为2 min时和超声功率为500 W、超声时间为4 min时改变水泥浆体的流变性能效果最显著。

关键词：水泥基复合材料；功率超声；流变性；流动度；泌水率；减水剂

中图分类号：U414；U416.216文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）03-0063-06

引用格式：叶姝君，梁浩，刘圣洁，等.功率超声对水泥基复合材料流变性能的影响［J］.山东交通学院学报，2024，32（3）：63-68.

YE Shujun， LIANG Hao， LIU Shengjie， et al. Influence of power ultrasound on the rheological properties of cement-based composite materials［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：63-68.

0 引言

水泥是典型的多维度材料，流变性能是影响水泥浆体使用性能的重要指标之一^[1]。在水泥水化过程中，内部水泥颗粒及纳米级水化产物因颗粒间的位阻效用呈不同程度的团聚性，影响水泥基材料的流变性能^[2-3]。在不同作业场景下，施工对浆体流变性的需求不同^[4-6]，须选择有效的水泥浆体颗粒分散方式，实现水泥基材料流变性能的迅速转变。

在传统施工中，大多采用搅拌的方式打散水泥基原料，主要包括自落式搅拌和强制式搅拌，受设备所限，搅拌过程中仍存在分散低效区^[7]。还可采用添加减水剂的方式打散水泥基原料，但部分减水剂对混凝土流变性的调控作用有负面影响^[8-9]，易导致泌水与离析，水泥硬化后形成较大孔穴结构和微裂缝，耐久性降低^[10-11]。

超声波在液相环境中传播时产生的超声效应有利于减少颗粒团聚，超声波作用于液体介质时，因声波正负压交替易导致气泡重复膨胀与收缩并迅速生长^[12-14]。气泡尺寸达到空化阈值时瞬间溃灭，并在极小范围内产生约5 000 ℃的超高温^[15-16]，同时产生大于400 km/h的高速射流，增强水泥颗粒表面的质量传递，导致絮状结构解体，分散均匀度较好^[17]。已有研究中多为超声波在超声检测与精密加工等方面的应用，在水泥浆体的分散研究则较少^[18]。

本文基于超声波振动引起的空化作用，采用高效机械力解决原始搅拌方式导致水泥颗粒分散不均匀的问题，并代替减水剂化学效应，进行水泥浆体流动度、泌水率试验，研究超声功率、超声时间及水灰质量比等因素对水泥浆体流变性能的影响，确定水泥浆体功率超声作用的关键技术参数，以期为该技术在工程上的推广应用提供理论支撑。

1 原材料与试验设计

采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥各性能指标的检测结果如表1所示，各项性能符合文献[19]要求。以萘系减水剂FDN-C为减水剂，萘系减水剂FDN-C为褐黄色粉末，固体的质量分数大于94%，pH为7～9，硫酸钠的质量分数为18%，减水率为18%～28%，各项性能符合文献[20]要求。水为日常饮用水。

为分析超声功率对水泥基材料流变性能的影响，定义2组试样的水灰质量比分别为0.50、0.55，在不同超声功率下进行流动度试验，在不同超声时间下进行泌水率试验，根据试验数据分析流变性能。

1.1 流动度试验

图1 水泥浆体最大流动度测量方法

每组试样需称取300 g水泥、适量水及萘系减水剂FDN-C，共20组，分别采用水泥浆体搅拌机慢速搅拌60 s，停15 s，将搅拌机叶片上的水泥浆体刮入搅拌桶内，快速搅拌120 s，停止运行搅拌机，将搅拌桶内水泥浆体立即倒入烧杯，置于磁力搅拌器中，开启超声制备浆体。提前用湿抹布润湿玻璃板及水泥浆体流动度试模，将水泥浆体全部倒入试模中，用刮刀刮去上部多余浆体后，立即垂直提起试模，使浆体自由流动，计时30 s后立即用钢直尺分别量取流动部分互相垂直的2个方向的最大直径，如图1所示，取平均直径作为水泥浆体流动度。

洗净试模与玻璃板并提前润湿后，再进行下1组试验。

1.2 泌水率试验

取流动度试验剩余水泥浆体（50±1）g，将其密封放置于聚丙烯塑料杯中，设其总质量为m₁。

每隔0.5 h用塑料滴管吸取杯中上层所析出水并记录质量（精确至0.01 g），当浆体泌水量小于0.10 g时，每10 min吸取1次水，直至浆体不再发生泌水现象，计算全部吸取水的质量，定义为总泌水质量m₂。泌水率N=m₂/m₁。

1.3 试验组设置

设计10个试验组，超声功率分别为0、250、500、750 W，在不同减水剂的质量分数w₁和超声时间下分析超声功率对水泥浆体流变性能的影响，试验参数如表2所示。

设计10个试验组，未添加减水剂，超声功率为500 W，分别采用超声0、1、2、3、4 min分析超声时间对水泥浆体流变性能的影响，试验参数如表3所示。

2 试验结果分析

2.1 超声功率

不同超声功率对各组水泥浆体的流变性能的影响结果如表4所示。

由表4可知：水泥浆体的流动度随超声功率的增大而增大，超声功率为750 W时，不同水灰质量比的水泥浆体的流动度最大，H₃的流动度比未进行超声的H₀增大50.0%，I₃的流动度比未进行超声的I₀增大32.7%，H₃的流动度比添加减水剂的对照组H₄增大22.0%，I₃的流动度比添加减水剂的对照组I₄增大17.3%，应用功率超声可减少水泥基材料的用水量，比添加减水剂更能提高水泥浆体的流动性。作用机理为功率超声与水泥浆体中的颗粒共振发生超声空化作用，部分浆体颗粒剥落或水泥团聚颗粒解体，释放水分子，流动度增大。

超声时间相同时，不同水灰质量比的水泥浆体的泌水率随超声功率的增大而先减小后增大，超声功率为750 W时泌水率最大。原因是超声功率为250 W时，超声波产生的剪切力和冲击力无法与絮凝颗粒积极耦合作用，无法克服颗粒间的静电引力和范德华力，颗粒分散不明显。超声功率较大时，超声空化导致团聚的水泥颗粒解体，有效释放水分子，泌水率增大。在超声功率为750 W、超声作用2 min时，水灰质量比为0.50的水泥浆体的泌水率最大，为4.76%，比未采取功率超声处理的水泥浆体增大85.9%；水灰质量比为0.55，I₃的泌水率为5.21%，比未采取功率超声处理的试样增大101.2%，功率超声可提高水泥颗粒与水分子的分散效果。

2.2 超声时间

不同水灰质量比下，不同超声时间对各组水泥浆体的流变性能的影响结果如表5所示。

由表5可知：超声4 min时，2种水灰质量比水泥浆体的流动度均最大；水灰质量比增大，用水量增大，浆体流动度显著增大，超声时间分别为0、1、2、3、4 min时，水灰质量比为0.55的水泥浆体流动度比水灰质量比为0.50的水泥浆体分别增大53.0%、35.0%、26.7%、21.5%、18.5%，随超声时间延长，增幅减小。表明超声作用时间越长，水灰质量比对水泥浆体流动度的影响越小，原因是超声时间较长导致浆体内部絮凝及抱团颗粒解体→团聚→再解体→再团聚循环发生，水泥浆体析出多余水分，浆体内部的水化产物颗粒分散更均匀。

水灰质量比为0.50水泥浆体的泌水率随超声时间的增大而呈减小→增大→减小→增大的变化趋势，原因是受超声作用影响，初期颗粒絮凝及团聚状态被打开，释放水分子，泌水率增大；随超声作用时间的增加，颗粒分散后继续高速运动，颗粒间再次碰撞堆叠，再次包裹水分子，产生絮凝聚团的概率增大，泌水率减小，依此循环变化。超声作用3 min时，水灰质量比为0.55水泥浆体的泌水率的变化趋势与水灰质量比为0.50的水泥浆体相反，泌水率继续增大。原因是超声功率为750 W时，水灰质量比为0.55的水泥浆体的多余水分无需参加颗粒团聚过程，且空化效应阈值随超声时间增大而减小，产生空化泡核的时间越短，空化泡溃灭所需时间越短。超声空化作用产生的高速冲击波和微射流破坏了絮凝水泥颗粒的团聚，浆体中的自由水增多，浆体泌水率增大。

3 结束语

采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，以萘系减水剂FDN-C为减水剂，在不同水泥浆体水灰质量比、超声功率、超声时间下测试水泥浆体的流动度和泌水率，根据试验结果分析功率超声对水泥基材料流变性能的影响，水泥浆体的流动度与超声功率及超声时间正相关，在超声功率为750 W、超声作用2 min时，水灰质量比为0.50的水泥浆体的流动度最大，为150 mm，比未采取超声处理的水泥浆体增大50.0%；水灰质量比为0.55的水泥浆体的流动度最大，为203 mm，比未采取超声处理的水泥浆体增大32.7%。随超声时间增加，水灰质量比为0.50的水泥浆体的流动度持续增大，水灰质量比为0.55的水泥浆体的流动度增幅不大。

水泥浆体的泌水率随超声功率的增大而先减小后增大，在超声功率为750 W、超声作用2 min时，水灰质量比为0.50的水泥浆体的泌水率最大，为4.76%，比未采取超声处理的水泥浆体增大85.9%；水灰质量比为0.55的水泥浆体的泌水率最大，为5.21%，比未采取超声处理的水泥浆体增大101.2%。

超声功率为500 W，超声4 min时，2种水灰质量比水泥浆体的流动度最大。水灰质量比为0.5水泥浆体的泌水率随超声时间的增大而呈减小→增大→减小→增大的变化趋势，水灰质量比为0.55的水泥浆体泌水率随超声时间的增加而增大。

本试验仅对单枚超声探头对水泥浆体流变性能展开研究，后续可对多枚超声设备联合布设干涉水泥浆体展开进一步研究；同时，本文仅对超声分散水泥浆体流变性能进行研究，后续可加强力学性能及微观变化研究，以对水泥浆体的分散程度进行更深一步探索。

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Influence of power ultrasound on the rheological properties of

cement-based composite materials

YE Shujun¹， LIANG Hao²， LIU Shengjie³， SONG Lei¹，

ZHAO Zhizhong^1*， PENG Geng^4，5

1.School of Civil Engineering， Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China；

2.Shandong Luzhong Highway Construction Co.， Ltd.， Zibo 255086， China;

3.School of Civil and Transportation Engineering， Beijing University of Civil Engineering and Architecture， Beijing 102616， China;

4.Beijing Municipal Engineering Research Institute， Beijing 100032， China;

5.Beijing Municipal Road and Bridge Technology Development Co.， Ltd.， Beijing 100032， China

Abstract：To improve the dispersion uniformity of cement particles， the influence of power ultrasonic on the rheological properties of cement-based composite materials is studied. Ordinary Portland cement P·O 42.5 is used， with naphthalene-based water reducer FDN-C as the water reducer. Power ultrasonic is employed for pre-dispersion treatment of cement slurry， and the fluidity and bleeding rate of the slurry are tested under different water-to-cement ratios（0.50， 0.55）， ultrasonic powers（250， 500， 750 W）， and ultrasonic times（0，1，2，3，4 min） to investigate the impact of power ultrasonic on the rheological properties of cement slurry. The results show that with the same ultrasonic time， the fluidity of the cement slurry increases with the increase of ultrasonic power， while the bleeding rate decreases first and then increases with the increase of ultrasonic power. When the ultrasonic power is 750 W， the fluidity and bleeding rate of cement slurry at different water-to-cement ratios are the highest. With the same ultrasonic power， the fluidity of both water-to-cement ratio cement slurries is the highest after 4 min of ultrasonic treatment. The bleeding rate of the 0.50 water-to-cement ratio slurry decreases， increases， then decreases， and increases again with the increase of ultrasonic time， while for the 0.55 water-to-cement ratio slurry， the bleeding rate continues to increase after 3 min of ultrasonic treatment. Compared to the water reducer， power ultrasonic can change the rheological properties of the cement slurry in a shorter time. The most significant effects on altering the rheological properties of the slurry are observed when the ultrasonic power is 750 W and the ultrasonic time is 2 min， and when the ultrasonic power is 500 W and the ultrasonic time is 4 min.

Keywords：cement-based composite material; power ultrasound; rheological property; fluidity; bleeding rate; water reducing agent

（责任编辑：王惠）