減水劑類型對濕式噴射混凝土的流動性影響研究

郭曉晗

（山東科技大學安全與環境工程學院，山東 青島 266590）

近年來，濕式噴射混凝土技術因為其所具備的生產效率高、工程質量好等諸多優勢，在井下、隧道等施工現場得到了廣泛的應用。對于噴射混凝土工藝以及整個系統來講，要實現高效、穩定的運行，就必須要對管道輸送環節予以高度的重視。對混凝土管道輸送阻力特性以及降低混凝土輸送阻力展開研究，是有效改善濕噴混凝土管道輸送效果的重要措施以及關鍵所在。在工程應用中為了實現混凝土料漿的高流態，高穩定性等優點，通常使用外加劑。外加劑有著諸多的種類，其中減水劑是應用范圍最為廣泛的凝土外加劑。減水劑可以大幅度提高料漿在管道中的流動性，避免堵管現象發生。

減水劑的種類較多，不同減水劑種類和添加量對水泥基材料的影響是不同的。王小萍認為木質素磺酸鹽會縮短水泥凝結時間，王志浩發現三聚氰胺系減水劑和萘系減水劑可以影響堿激發粉煤灰膠凝材料的工作性能。萘系減水劑可有效提高發泡水泥的綜合性能。聚羧酸高性能減水劑的適應性比萘系高效減水劑差。

目前對減水劑應用性能及對水泥水化、全尾砂充填料漿流動性、流變性及力學性能的影響研究較多，但對濕式噴射混凝土流動性能的影響研究較少，但流動性能對濕式噴射混凝土效果起重要作用。因此，選用市面上最常用的3 種減水劑，通過坍落度、擴展度等因素研究了減水劑對濕式噴射混凝土材料流動性的影響。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用普通硅酸鹽PO42.5 水泥，質量符合《通用硅酸鹽水泥》 GB175—2020 最新標準要求。細骨料選用泰安東平細度模數為2.8 的中砂，表觀密度2650 kg/m，堆積密度1500 kg/m，性能指標符合相關規定。粗骨料采用尺寸為表觀密度為2700 kg/m的碎石。三種減水劑分別是聚羧酸減水劑（WH-A）、萘系減水劑（FDN-C） 和木質素減水劑（GS -L），是市面上最常用的混凝土減水劑種類，具有一定的代表性。符合國家現行標準《混凝土外加劑》 （GB8075—87） 的有關規定，不同減水劑相關參數如表1 所示。

表1 減水劑相關性能

1.2 試驗方法

試驗配比為水∶水泥∶石子∶砂子=0.45∶1∶1.5∶2.25。WH-A摻量為0.35 ～0.5%，梯度為0.05%； FDNC摻量為0.5 ～1.25%，梯度為0.25%； GS -L摻量為1 ～2.5%，梯度為0.5%。

按照《GB/T8077—2012 混凝土外加劑勻質性試驗方法》 測量水泥漿體擴展度。按照GB/T2419 -2016 對新拌砂漿做擴展度測試。按照規范《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》 測量新拌混凝土坍落度。

LCPC箱實驗使用的實驗工具是一個長度為50cm（Lmax）、寬度為20cm、高度為10cm的玻璃通道。將2L混合好的水泥漿、砂漿和混凝土從玻璃通道的一側倒入（圖1a）。讓物料靜置1 分鐘，然后在玻璃水平通道的一側拍攝照片，得到玻璃通道剖面輪廓（圖1b）。其中h 是盒子末端樣品的厚度（即物料的厚度），L為混凝土靜置時的鋪展長度。每種混合物的流動性由L/h 計算得出，L與h 的比值越大，證明其流動性越好。

圖1 LCPC箱試驗

水泥顆粒的Zeta電位通過馬爾文納米粒度電位儀進行測量。實驗方法： 采用去離子水配制的減水劑溶液30mL，加入0.1 g水泥，攪拌靜置30 min 后測試上層懸浮液Zeta電位，測試5 次，取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 不同減水劑對濕式噴射混凝土流動性的影響

在沒有添加減水劑的情況下，水灰比為0.45 的新拌混凝土流動性很低，坍落度僅為24 mm。與空白組相比，在摻入了不同劑量的減水劑之后，混凝土的坍落度有了明顯的提升。三種減水劑中，聚羧酸減水劑對混凝土流動性的改善效果優于另外兩種減水劑，坍落度最大可提升至143mm，木質素磺酸鹽減水劑對混凝土流動性的改善效果最差。

不同減水劑對新拌混凝土流動性的改善效果呈現出基本相同的規律： 混凝土坍落度并不隨著減水劑摻量的增加而增加，而是存在一個臨界點，超過該臨界點后，繼續增加摻量混凝土坍落度幾乎不會增大。這是因為加入減水劑后，減水劑分子吸附在水泥顆粒表面，釋放出被絮網結構中的拌合水，當減水劑摻量達到某一水平后，物料顆粒之間會形成一種相對穩定的懸浮狀態，而在此基礎上繼續添加減水劑，此時同等劑量的減水劑能夠釋放出的絮凝水減少，同劑量減水劑的作用效果慢慢減弱。通過實驗確定聚羧酸減水劑的飽和摻量為0.5%，萘系減水劑的飽和摻量為1%，木質素磺酸鹽減水劑的飽和摻量為2%。

2.2 不同減水劑對水泥凈漿流動性的影響

三種減水劑都不同程度地提高了水泥凈漿的流動性，其中WH-A減水劑對水泥凈漿流動性的影響較其他兩種減水劑影響更為顯著，GS -L減水劑對水泥凈漿流動性的改善效果最差，但其流動保持性較好。同時發現，當減水劑摻量超過混凝土試驗中確定的飽和摻量點時，雖然水泥凈漿擴展度增幅變緩，但仍不能確定是否已經達到極限擴展狀態，可見水泥凈漿擴展度試驗并不能確定減水劑的飽和摻量。

2.3 不同減水劑對砂漿流動性的影響

曾君發現水泥凈漿流動度與混凝土擴展度和坍落度之間的相關性并不好，提出用砂漿擴展度來表征減水劑與水泥的相容性。因此，通過分析不同減水劑類型及摻量對砂漿擴展度的流動性的影響規律，探究減水劑與水泥相容性問題。不同減水劑對砂漿流動性的改善效果與混凝土坍落度試驗結果呈現出基本相同的規律： 砂漿擴展度并不隨著減水劑摻量的增加而增加，而是存在一個臨界點，超過該臨界點后，摻量增加砂漿擴展度幾乎不發生變化。

2.4 砂漿流動性與混凝土流動性的相關性

2.4.1 水泥凈漿擴展度、砂漿擴展度與混凝土坍落度的相關性

通過實驗發現，水泥凈漿擴展度試驗并不能確定減水劑的飽和摻量，而砂漿擴展度試驗與混凝土坍落度試驗結果呈現出相似的規律。對此，分別對水泥凈漿擴展度、砂漿擴展度與混凝土坍落度進行了線性回歸分析。水泥凈漿初始擴展度與混凝土坍落度相關系數R2為0.876。砂漿初始擴展度與混凝土坍落度相關系數R2為0.957。水泥凈漿擴展度、砂漿擴展度與混凝土坍落度都存在良好的相關性，其中砂漿擴展度優于水泥凈漿試驗結果，與混凝土的實際應用情況相關性更強。

圖2 水泥凈漿擴展度、砂漿擴展度與混凝土坍落度的相關性

2.4.2 LCPC箱試驗

由于水泥凈漿擴展度試驗、砂漿擴展度試驗和混凝土坍落度試驗所測試的參數不同，試驗所用的模具參數、物料體積都不盡相同。為了能夠統一標準、更加直觀的觀察和分析砂漿流動性與混凝土流動性之間的對應關系，采用LCPC箱實驗來研究當摻入不同的減水劑時砂漿流動度與混凝土流動度之間的相關性（見表2 ）。根據前期實驗選取不同減水劑的飽和摻量，將其分別加入到三種介質中（包括水泥漿、砂漿和新拌混凝土），觀察流動度的變化。

表2 LCPC箱試驗結果

實驗發現，在減水劑種類與摻量相同的前提下，混凝土的流動性低于砂漿流動性，砂漿流動性低于水泥漿體流動性。在水泥凈漿中，水只用來潤濕和分散水泥顆粒。但是在砂漿中，部分拌和水被用來潤濕細骨料，這使水泥漿體中自由水的含量減少，宏觀表現為物料流動性降低。在混凝土中，部分拌合水還要潤濕粗骨料，這使得在相同水灰比下，水泥凈漿中的自由水含量要多于與混凝土內的自由水含量。

砂漿流動度： M1 ＞M2 ＞M3，混凝土流動度： C1＞C2 ＞C3，二者排序一致。分別對水泥凈漿流動度、砂漿流動度與混凝土流動度做線性回歸分析，發現與水泥凈漿相比，砂漿流動性與混凝土流動性的相關性更好，二者存在較好的對應關系，可作為評判水泥與外加劑相容性的一種便捷方式。

2.5 Zeta電位實驗

本試驗對萘系減水劑（FDN-C）、聚羧酸系減水劑（WH-A） 和木質素磺酸鹽減水劑（GS -L） 進行了試驗（本文中所指Zeta電位均指其絕對值）。

在水泥顆粒中加入了減水劑之后，水泥顆粒的表面電位會產生變化。在沒有添加減水劑時，表面電位為3.28mV，當加入了減水劑之后，水泥顆粒的Zeta電位絕對值會伴隨著減水劑濃度的增加而增加。出現這種情況的原因在于減水劑分子會在水顆粒表面吸附之后產生雙電層，而伴隨著減水劑濃度的增加，吸附量也會逐漸的增加，進而使得水泥顆粒表面帶電荷增大。

三種減水劑中，萘系減水劑溶液中水泥顆粒的初始電位最大，為31.6 mV，但隨時間下降的幅度也較大，60 min 后降到11.3 mV。木質素磺酸鹽減水劑對水泥漿體系Zeta電位的保持能力較好，60min 后Zeta電位沒有發生較大變動，故體系穩定性更強。

聚羧酸減水劑溶液中水泥顆粒的初始電位最低，僅為3.57 mV，這意味著其靜電斥力作用較弱。但通過水泥凈漿擴展度試驗發現，雖然WH-A溶液的Zeta電位較低，但水泥漿體流動性仍然較好。說明聚羧酸系減水劑的分散機理并非靜電斥力理論所能解釋，其空間位阻效應作用更大。

3 結語

1） 減水劑的加入對水泥基材料流動性提升效果明顯。聚羧酸減水劑對水泥基材料流動性改善效果最好，但經時損失較大； 萘系減水劑對水泥基材料流動性改善效果次之，但經時損失最大； 木質素磺酸鹽減水劑對水泥基材料流動性改善效果最差，但經時損失最小。

2） 減水劑摻量并不是越高越好，存在飽和點，超過飽和點，流動性幾乎沒有改善。與水泥凈漿流動性相比，砂漿流動度與混凝土流動度之間能夠存在更好的對應關系，與混凝土的實際應用情況相關性更強。

3） 靜電斥力是萘系減水劑保持體系分散穩定性的主要因素，聚羧酸系減水劑的分散機理并非靜電斥力理論所能解釋，其空間位阻效應作用更大。