固体颗粒对新拌水泥浆气泡稳定性的影响

固体颗粒对新拌水泥浆气泡稳定性的影响

Summary：本文围绕我国高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构对自密实混凝土充填层气泡稳定性的总体目标要求，研究了水泥、钢渣粉、矿渣粉、600目石粉、300目石粉、粉煤灰、纳米硅酸钙、纳米硅灰、纳米硫酸钙颗粒对水泥浆气泡稳定性的影响。研究表明，在减水剂和引气剂等表面活性剂的作用下，可引入小孔径的气泡，降低气泡上浮速度；而额外添加纳米硅酸钙、纳米硅灰或纳米硫酸钙等纳米颗粒可以大幅减弱气泡的聚并和增粗，进而大幅提升了水泥浆的气泡稳性。Keys：自密实混凝土；气泡稳定性；纳米颗粒高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构为上、中、下三层水平向的夹心结构，上下两层为提前浇筑好或预制的混凝土，中间层灌注高流动性的自密实混凝土。根据结构设计要求，上和中两层需保持良好的粘结，形成整体结构。但高流动性的自密实混凝土中气泡不稳定（上浮、增粗和聚并），在上中两层的界面形成气泡集聚区，严重削弱上中两层的粘结，进而影响整个无砟轨道结构的结构受力和耐久性。根据自密实混凝土的物理结构和材料组成，其可看作是气泡、胶凝材料、砂和石子均匀分散在液相中的悬浮体。而砂和石子的尺寸远远大于气泡的尺寸，因此可将自密实混凝土的气泡稳定性简化为水泥浆的气泡稳定性。水泥浆可看成悬浮浆体+气泡构成的气-液-固三相多分散悬浮体，其气泡稳定性不但取决于液相的组成，而且还与分散的固体颗粒的特性密切相关[1]。在气-液-固三相悬浮体中，通过外加剂组合获得了低表面张力和较小的气泡孔径[2]。由于气泡膜上表面活性剂分子亲水基的作用，会使得表面带电性的微细固体颗粒被液膜吸附。因此，在气-液-固三相悬浮体中，气泡膜由水、表面活性剂和微细固体颗粒组成。通过外加剂组合获得了低表面张力和较小的气泡孔径后，气泡的上浮速度降低，但仍需控制气泡之间尽量不产生增粗和聚并。根据文献[3]的研究，微细固体颗粒可降低气泡之间的增粗和聚并。因此本文将重点研究固体颗粒对水泥浆气泡之间的增粗和聚并的影响。1试验方法评价水泥浆中的气泡是否易产生增粗和聚并，可采用PaulinePetit[1]提出的方法测试气泡从水泥浆中浮出至表面至破裂的存在时间，定为水泥浆的气泡稳定性。气泡存在时间越长，水泥浆的气泡稳定性越好。配制的单掺聚羧酸减水剂的水泥浆水胶比为0.4，减水剂掺量为0.37%。单掺聚羧酸减水剂时，液膜中几乎不含胶凝材料颗粒，为透明液膜。水泥浆中气泡的稳定存在时间为150s，稳定性较差。2试验结果测试了掺不同种类胶凝材料颗粒和外加剂的水泥浆体的气泡稳定存在时间，如表1所示。从表1可以看出，纯水泥、钢渣粉、矿渣粉、600目石粉、300目石粉和粉煤灰配制的浆体气泡稳定存在时间较短，掺纳米硅酸钙、纳米硅灰、纳米硫酸钙颗粒浆体的气泡稳定存在时间较长。因此，为了控制水泥浆气泡的稳定存在时间，在水泥浆中掺入纳米硅酸钙、纳米硅灰和纳米硫酸钙颗粒。从表1的试验结果看，掺入30%的纳米硅酸钙、纳米硅灰和纳米硫酸钙颗粒都能大幅增加水泥浆的气泡稳定存在时间。表1掺固体粉末颗粒和外加剂的气泡稳定存在时间固体颗粒气泡稳定存在时间/s纯水泥150纯S115矿粉38纯S95矿粉19纯纳米硅灰>600纯纳米硅酸钙>600纯600目石粉43纯300目石粉15纯纳米硫酸钙>600纯粉煤灰170%水泥+30%纳米硅酸钙25270%水泥+30%纳米硅灰26370%水泥+30%纳米硫酸钙3043讨论由于固体颗粒较粗，在自重作用下会下沉，进而使气泡膜变薄、直至破裂。纳米硅酸钙、纳米硅灰和纳米硫酸钙颗粒有较好的气泡稳定性可能是由于颗粒的粒径远小于水泥和普通矿物掺合料颗粒。纳米颗粒保持附着在气-液界面上，形成“胶体盔甲”式气泡膜，阻止气泡内的空气从液膜中渗透出去。另一方面，纳米颗粒为亲水性颗粒，气-液界面与颗粒保持稳定的接触角，毛细作用使气泡间拉普拉斯压力差减小，使气泡膜变得基本上平坦，不易排水，而且亲水性颗粒还可回吸水到气泡膜中，从而形成稳定的气泡膜[4]。纯水泥浆和水泥+纳米颗粒浆体中气泡的表面覆盖情况对比如图1所示。从图1可以看出，纯水泥浆中气泡表面有未覆盖水泥颗粒的部分，而水泥+纳米颗粒浆体中气泡的表面完全覆盖固体颗粒，因此其气泡稳定存在时间越长。图1水泥浆体和水泥+纳米颗粒浆体中气泡的表面覆盖情况对比.4结论基于上述试验结果及分析，可得到提高自密实混凝土气泡稳定性的措施：（1）选择合适的表面活性剂可以使气泡的孔径更小，降低气泡上浮速度；（2）添加纳米固体颗粒可以大幅提高其气泡稳定存在时间，减弱气泡的聚并和增粗。Reference[1]M.TylerLeya,KevinJ.Folliardb,KennethC.Hover.Observationsofair-bubblesescapedfromfreshcementpaste[J].CementandConcreteResearch,2009,39:409-416.[2]沈钟.表面化学[M].化学工业出版社,2012[3]李兆敏,