甲基纤维素对新拌水泥浆体性能的影响

1、收稿日期:2002209225;修订日期:2003207221作者简介:杨元霞(19702,女,吉林敦化人,中南大学讲师,硕士 .文章编号:100729629(20040220221206甲基纤维素对新拌水泥浆体性能的影响杨元霞(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075摘要:探讨了甲基纤维素对新拌水泥浆体若干性能的影响,并将其与水灰比和水泥品种的影响进行了比较.结果表明:甲基纤维素有显著的增稠和提高水泥浆体保水性的作用,有较小的增塑、缓凝效果;甲基纤维素引气效果明显,因此应用中需特别考虑其对材料强度的影响.关键词:甲基纤维素;水泥浆体;性能中图分类号:TU528文献标识码:AInfluenc

2、e of Methyl Cellulose on Properties of Fresh Cement PasteYA N G Y uan 2xia(Civil Engineering and Architecture C ollege ,Central S outh University ,Changsha 410075,China Abstract :In comparison with the effect of mass ratio of water to cement and types of cement ,the in 2fluence of methyl cellulose (

3、MC on properties of fresh cement paste was experimentally investigated.The results show that MC can improve the consistency and water retentivity of fresh cement paste sig 2nificantly ,increase the fluidity and setting time of cement slightly.Further ,it can increase the air content of mixtures sign

4、ificantly ,so the decrease of strength must be considered while adding it to ce 2mentitious materials.K ey w ords :methyl cellulose ;fresh cement paste ;properties碳纤维水泥基复合材料具有优异的力学性能18和“自诊断”功能912,已成为研究的热点,并有极广阔的应用前景.在碳纤维水泥基复合材料制备过程中,纤维分散剂的应用是十分必要的.已有研究表明,聚合物乳液、甲基纤维素(MC 等均有促进纤维分散的作用.由于聚合物乳液的掺量大(约占水泥质

5、量的20%,使碳纤维水泥基复合材料的成本提高,因而其应用受到限制.而MC 的掺量仅占水泥质量的0.4%左右,且分散效果好,因此备受青睐1013.MC 的掺量虽较小,但其对复合材料性能的影响却不容忽视.此外,了解MC 对碳纤维水泥基复合材料性能的影响,亦为其在该复合材料领域中广泛和合理的应用提供参考.因此,本文就MC 对新拌水泥浆体若干性能的影响进行了试验探讨,而MC 对碳纤维水泥基复合材料其它方面的影响将在另文介绍.1实验1.1原材料水泥为长沙市水泥厂生产的32.5级普通硅酸盐水泥和高铁普通硅酸盐水泥;甲基纤维素MC 为市售进口产品M20,类白色粉末,上海化学试剂站分装厂分装,牌号U.K.第7

6、卷第2期2004年6月建筑材料学报JOURNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol.7,No.2J un.,20041.2试验采用L12(61×22正交设计试验,探讨了MC对水泥浆体的流动性、保水性、凝结时间和体积密度(含气量的影响,并将该影响程度与水灰比和水泥品种的影响程度进行比较.水泥浆体制备及流动性、凝结时间的测试均按G B134692进行,并以试锥沉入深度(mm表示流动性大小;采用目测方法比较相对泌水率,以评估保水性;利用标准容积小口容器测试新拌浆体质量,以计算其体积密度.因为MC作纤维分散剂使用时一般采用先溶于拌合水的掺加方法10,11,13,所以本

7、试验未考虑其它掺加方式.2结果及讨论本试验配合比(质量比及水泥浆体流动度、凝结时间测试结果见表1,相关极差计算结果见表2.由表2可见,在试验考查的水泥品种、水灰比及MC掺量这3个因素中,水泥品种对水泥浆体流动度及凝结时间的影响最小(即水泥品种因素的极差值最小,因此为能更直观地反映MC对水泥浆体流动度、凝结时间的影响,特忽略水泥品种的不同,而绘出了不同水灰比条件下的MC掺量与上述水泥浆体性能的关系曲线,见图13.表1水泥浆体配合比及有关性能试验结果T able1Composition of cement p aste and results of testSample Content of MC

8、1/%m w/m c Cement2Fluidity/mmSetting time/minInitialFinal0100.30C139237367020.050.30C2492563660300.35C262259389040.050.35C155310435050.100.30C243268380060.200.30C145258390070.100.35C158309470080.200.35C263316461090.400.30C156317478100.600.30C253320467110.400.35C266351537120.600.35C164439534Notes:1Co

9、ntent of MC is mass ratio of MC to cement;2C1is high2iron ordinary cement and C2is ordinary Portland cement.表2极差计算结果T able2Analysis results of extreme deviationItem K1K2K3K4K5K6Extreme deviation RFluidity (mmABC10128431610436833610110812211720.583.519.5Initial setting time(minABC96169019045661950173

10、6577574668759263260168Final setting time(minABC75624482674801282626008508511015100125937874Notes:A is content of MC;B is m w/m c;C is type of cement;K1K6are middle value of calculation.222建筑材料学报第7卷图1MC 掺量对水泥浆体流动性的影响Fig.1Influence of content of MC onfluidity of cement paste2.1MC 掺量对新拌水泥浆体流动性的影响由表2可知,

11、水灰比对水泥浆体的流动性影响最大,MC 掺量的影响较小,且在本文试验范围内,与水泥品种的影响程度相当.由图1可见,开始掺加MC 时,较稀水泥浆体(m w /m c =0.35的稠度增大,流动性减小,但较稠水泥浆体(m w /m c =0.30的流动性却增大;随MC 掺量增大,2种水泥浆体流动性基本均呈增大趋势,且当MC 掺量达0.4%左右时,它们的流动性达最大;继续增大MC 掺量,2种水泥浆体流动性均呈现略微降低趋势.上述现象产生的原因是:MC 为水溶性高分子材料,加入水中后先溶于水并形成胶状液体,增加了液相的稠度和粘度,使浆体流动性降低.而溶于水泥浆中的部分MC 则吸附于水泥颗粒表面,形成胶

12、液润滑层,并抑制水泥浆絮凝结构的形成;同时,溶于液相的MC 因有引气的作用,使浆体中形成独立、均匀分布的微小气泡,从而起到“滚珠润滑”的作用,因此,MC 又有增大浆体流动性的作用.MC 在水泥浆中的增稠作用是首先存在的,但在一定条件下,当MC 在液相中的浓度达到一定范围后,引气和吸附作用增强,塑化作用又将增大.当MC 掺量较小时,液相中MC 浓度较低,在m w /m c 较大的浆体中,引气效果不明显,吸附于水泥颗粒表面的MC 亦较少,因此,此时MC 的增塑作用不明显;但当浆体的m w /m c 较小时,同样小掺量的MC 却可获得较大的液相浓度,使引气效果增强,同时,吸附于水泥颗粒表面的MC 亦

13、增多,故此时MC 的增塑效应占主导地位.在MC 掺量较大时,对于本文的2种浆体,MC 的液相浓度均较大,因此,引气与吸附润滑效果显著,所以浆体的流动性随MC 掺量的增大而增大.但当超过一定的MC 掺量后,水泥颗粒对其的吸附趋于饱和,润滑作用不再增强,故此时MC 掺量的增加则仅是提高增稠作用而已.2.2MC 掺量对新拌水泥浆体凝结时间的影响由表2可见,MC 掺量和水灰比对水泥浆体凝结时间的影响较大,而水泥品种的影响明显较小.其中,MC 掺量对水泥浆体初凝时间的影响略高于水灰比,而对终凝时间而言,MC 掺量的影响则明显小于水灰比.由图2,图3可见:水灰比不同的2种水泥浆体,水灰比较大的水泥浆体的初

14、、终凝时间更长;随MC 掺量增大,水灰比不同的2种浆体的初、终凝时间均延长;当MC 掺量为0.4%0.6%时,2种水泥浆体的缓凝时间为13h.图2MC 掺量对水泥浆体初凝时间的影响Fig.2Influence of content of MC on initialsetting time of cement paste图3MC 掺量对水泥浆体终凝时间的影响Fig.3Influence of content of MC on finalsetting time of cement paste322第2期杨元霞:甲基纤维素对新拌水泥浆体性能的影响MC为非离子型化合物,其缓凝机理如按Hansen的吸

15、附理论可解释为:由于MC溶于水后吸附在未水化水泥颗粒的表面上,阻碍了水对水泥颗粒表面的初始侵袭,因此延缓了水化.而按Y ong 的延缓成核理论又可解释为:MC在水中的溶解抑制了氢氧化钙晶核的生成和长大,从而延缓了水化.实际上,MC的缓凝或许应归结为上述2种因素共同作用的结果,但以哪种为主,尚需进一步的试验证实.2.3MC在水中的溶解及对新拌水泥浆体保水性的影响大分子的MC粉末加入水中后,其表面上与水接触的分子链段最先被溶剂化,并形成一层胶状薄膜,使水分子向MC内部的扩散及MC内部分子链段的溶剂化速度减慢.因只有当MC的分子链被完全溶剂化后,MC才可溶于水中,因此,MC在水中溶解较慢.在无MC的

16、水泥浆体中,由于水分子间的作用力较弱,因此,在水灰比稍大时,便会因水泥粒子吸附能力的有限而出现泌水.而在溶有MC的水泥浆体中,由于水分子与MC分子链间的相互扩散作用使水分子得以进入MC的大分子链内部,并受到较强的约束力,因此,水泥浆的保水性大大增强.目测结果亦显示:未掺加MC的水泥浆体保水性较差,且当水灰比较大时尤其明显;掺加MC后,则不论水泥品种如何,浆体的保水性有极显著的改善;在本文水灰比条件下,当MC掺量达到或超过0.1%后,浆体基本无泌水.这说明MC对提高水泥浆体保水性作用显著.2.4新拌水泥浆体的体积密度及附加含气量设:未掺MC的新拌水泥浆体质量为m1,体积密度为1,则1=m c+m

17、 wV c+V w+V g=m1V0;掺MC后水泥浆体的质量为m2,体积密度为2,则2=m c+m w+m MCV c+V w+V g+V a=m2V0+V a,其中,m c,m w,m MC分别为浆体中水泥、水和MC的质量,V c,V w,V g分别为水泥、水和空气所占的体积,V0,V a 分别为不含MC的水泥浆体的体积及掺MC后的附加体积.忽略掺量极小的MC的质量,有m1= m2,故由分散剂的加入而使浆体增加的含气量为=V aV0+V a×100%=1-21×100%.在上述理论基础上,笔者分别测试了表1中各配比水泥浆体含与不含MC时的体积密度,并计算了掺入MC引起的水

18、泥浆体含气量的增加,即附加含气量的大小,同时对含MC的水泥浆体的体积密度进行了极差分析,结果分别见表3,4.表3水泥浆体体积密度及附加含气量T able3Bulk density and additional air content in cement p asteItemSample0102030405060708091011121/(kgm-32081206020212038206020812038202120812060202120382/(kgm-3208120252021199620222012197519351981187518881850/%0 1.700 2.06 1.84 3

19、.32 3.09 4.25 4.808.98 6.589.22Note:1is the bulk density of cement paste without MC;2is the bulk density of mix with MC;is additional air content.表4体积密度极差计算结果T able4C alculated results of extreme deviation of bulk densityItem K1K2K3K4K5K6R2 (kgm-3ABC41021199611895402111665117663997394738693725377331

20、129Notes:A,B,C and K1K6are as same as Table2.422建筑材料学报第7卷从表4可见,MC 掺量是影响水泥浆体体积密度的最重要因素,其次为水灰比,水泥品种的影响最小.为此,忽略水泥品种的不同,绘出了不同水灰比条件下MC 掺量与水泥浆体体积密度和附加含气量的关系,见图4,5.由图4,5可见,当MC 掺量增大时,2种不同水灰比浆体的体积密度均降低,附加含气量则均增大;在MC 掺量相同时,水灰比较大的浆体中附加含气量较大(而这主要应归因于浆体的稠度与气泡生成及稳定存在的难易程度间的关系:水灰比较大的浆体,固体颗粒间的间隙较大,水层较厚,颗粒间的作用力较弱,有利

21、于气泡的生成与稳定存在.当浆体的水灰比较小时,水泥粒子间的水层薄,空隙小,固体粒子间的作用力较强,不利于气泡的生成和稳定存在;在MC 掺量达0.6%时,均可使2种水泥浆体含气量增大9%左右;如若控制水泥浆体的附加含气量在5%以内,则MC 的掺量不超过0.3%(m w /m c =0.35和0.4%(m w /m c =0.30 .图4MC 掺量对水泥浆体体积密度的影响Fig.4Influence of content of MC on bulkdensity of cement paste图5MC 掺量对水泥浆体附加含气量的影响Fig.5Influence of MC content on a

22、dditionalair content in cement paste3结论1.MC 有明显的增稠作用和增加水泥浆体保水性的作用,而且应用时MC 的掺量一般在0.1%左右时,即可达到较理想的保水效果.2.MC 引气效果显著.对m w /m c 为0.35的水泥浆体,MC 掺量在0.05%0.2%时,浆体的附加含气量可达2.05%4.25%;而对于 m w /m c 为0.30的水泥浆体,当附加含气量控制在3%5%时,MC 的掺量不超过0.4%.MC 的掺量为0.6%时,2种水泥浆体的最大附加含气量均可达9%左右.3.MC 有较小的增塑、缓凝作用.当MC 掺量为0.4%0.6%时,缓凝13h.

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