聚羧酸对水泥浆体流变性能的影响
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Experimental Research
试验研究
聚羧酸对水泥浆体流变性能的影响
张小冬1 张建纲1,2 杨 勇1,2 冉千平1,2 （ 1. 江苏苏博特新材料股份有限公司 南京 211108； 2. 高性能土木工程材料国家重点实验室 南京 211108） 摘 要： 从流变学的角度对比了不同聚羧酸系减水剂的差异。 比较了3种典型化学结构聚羧 酸减水对浆体屈服应力、 塑性黏度以及稳定性恢复速率的影响， 试验结果聚羧酸系减水 剂的化学结构对于水泥浆体的流变特性影响显著， 在流动度相同的条件下 ， 使用3种减水 剂的浆体塑性黏度依次为PCE1< PCE2< PCE3， 屈服应力依次为PCE1< PCE2≈PCE3， 稳定性恢复时间依次为PCE1> PCE2> PCE3。 关键词： 聚羧酸减水剂； 流变性能； 屈服应力； 稳定性恢复； 适应性
2 试验结果与分析
2.1 聚羧酸减水剂净浆流动度
表2为3种聚羧酸系减水剂的净浆流动度测试结果。
2.2 聚羧酸减水剂流变性能
在净浆流动度试验过程中可以看出， 3种减水剂在净 浆流初始流动度为200mm左右时， 浆体分散保持能力差异
86
CHINA CONCRETE 2017.11
NO.101
Experimental Research
。
混凝土流变性能被认为是迄今为止表征工作性能最 理想的方法。 流变学是研究其流动和变形的重要学科， 混 凝土流变学通过屈服应力、 黏度等参数定量地表征混凝 土工作性能
[4～7]
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥： 江南小野田P·II 52.5水泥， 其化学组成见表1。 聚羧酸系减水剂： 江苏苏博特新材料股份有限公司生 产的3种不同分子结构的聚羧酸系减水剂， 其分子结构示 意图如图1所示。
收稿日期：2017-10-13
2017.11 混凝土世界
85
试验研究
Experimental Research
SiO2 21.10
Al2O3 6.16
CaO 64.8
表 1 水泥的化学组成
MgO 1.94 Fe2O3 4.41
SO3 2.52
Na2O 0.48
%
烧失量 2.59
试验研究
表 2 净浆流动度测试结果
折固掺量 % 净浆流动度（mm） 初始 170 200 240 150 185 250 175 195 235 30（min） 150 190 235 130 170 260 180 190 260
减水剂
0.08 PCE1 0.10 0.12 0.12 PCE2 0.15 0.18 0.15 PCE3 0.18 0.22
按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》 （GB80772000）进行水泥净浆流动度测试， 水灰比为0.29， 减水剂 为掺量按照水泥质量的百分比折固后掺入， 并扣除其中的 水。 分别测试初始流动度以及放置30min时的流动度。
总101期
中， 人们往往希望混凝土在泵送过程中具有合适黏度， 提 高泵送效率。 而在混凝土放置过程中有很好的稳定性， 不 出现离析、 泌水， 即有合适的屈服应力。 性能优异的悬浮
PCE1
PCE2
图 2 屈服应力测试程序
PCE3
图 1 聚羧酸系减水剂分子结构示意图
1.2.2 流变性能
水泥净浆 搅 拌结束后， 采用B o ok f ield公司生产的 Rheometer型流变仪测试浆体的流变性能。 分别按照图2中 屈服应力测试程序和图3中凝胶结构恢复测试程序进行流 变性能测试。 其中， 图2表示测试浆体在Biblioteka Baidu切应力缓慢增 加的过程中， 剪切速率的变化， 通过剪切速率的突变来反 映浆体的屈服应力。 首先将搅拌均匀水泥净浆导入测试筒 中并静置2min， 然后按照图2的测试程序测试浆体的在剪 切应力逐渐增加以及剪切应力逐渐减小阶段的流变曲线。 图3是浆体的稳定性恢复时间测试程序， 首先把浆体在高 速剪切条件下搅拌均匀， 其目的是浆体中的颗粒充分分 散， 然后迅速降低至微小恒定的剪切速率（0.5s ） ， 测试 剪切应力的变化， 通过测试剪切应力的变化来反映浆体凝 胶状态恢复的时间 。
。 其中塑性黏度反映的是悬浮的固相颗粒
之间、 固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作 用的强弱， 在混凝土工作性中表现为拌合物的黏度； 屈服 应力则是指能够使流体开始产生流动的剪应力， 在混凝土 工作性中与包裹性及稳定性相关
[8～10]
。 在混凝土施工过程
1.2 试验方法
1.2.1 净浆流动度
前言
聚羧酸系减水剂作为现代混凝土的关键材料， 已经在 各种工程建设中得到了广泛地应用。 随着混凝土施工技 术的发展， 高强混凝土、 高层泵送混凝土、 自密实混凝土 已经大量地应用于建筑施工中， 对于混凝土的工作性能不 断提出新的要求 。 通过分子结构的设计， 实现聚羧酸系 减水剂对于混凝土工作性能的调控是聚羧酸系减水剂研 究和开发的热点之一， 而如何定量评价聚羧酸系减水剂对 混凝土工作性能的影响是需要首先解决的问题
[2,3] [1]
液体系在剪切作用下， 稳定的悬浮结构被破坏， 当失去剪 切作用力后能够迅速恢复为稳定的悬浮体结构， 以保证悬 浮液的稳定。 而在新拌混凝土中， 搅拌和泵送等剪切作用 力停止后， 混凝土能够迅速恢复并保持稳定、 不发生沉降 则是混凝土具有优良和易性的重要表现。 本文从水泥浆体的流变特性出发， 采用水泥浆体屈服 应力直接测试方法和浆体的稳定性恢复速率测试方法对 比了不同类型的聚羧酸系减水剂对水泥浆体流变特性的 影响， 希望为聚羧酸系减水剂开发过程中对混凝土工作性 影响的表征提供一定的借鉴。
[11] -1
图 3 凝胶结构恢复测试程序
从表2可以看出， 3种聚羧酸系减水剂表现出不同的分散性 能， 达到相同的净浆流动度时， PCE1的掺量最低， PCE2次 之， PCE3最高。 表明PCE1的分散能力最强， PCE2次之， PCE3最弱。 然而， 分散保持能力的顺序则相反， 分散性强 的聚羧酸表现出的经时保持能力较差， 这主要是由于聚羧 酸系减水剂在水泥颗粒表面的吸附具有经时变化的特点， 掺量较高的PCE3在液相中残留量较多， 能够持续提供保 持分散所需要的外加剂。
试验研究
聚羧酸对水泥浆体流变性能的影响
张小冬1 张建纲1,2 杨 勇1,2 冉千平1,2 （ 1. 江苏苏博特新材料股份有限公司 南京 211108； 2. 高性能土木工程材料国家重点实验室 南京 211108） 摘 要： 从流变学的角度对比了不同聚羧酸系减水剂的差异。 比较了3种典型化学结构聚羧 酸减水对浆体屈服应力、 塑性黏度以及稳定性恢复速率的影响， 试验结果聚羧酸系减水 剂的化学结构对于水泥浆体的流变特性影响显著， 在流动度相同的条件下 ， 使用3种减水 剂的浆体塑性黏度依次为PCE1< PCE2< PCE3， 屈服应力依次为PCE1< PCE2≈PCE3， 稳定性恢复时间依次为PCE1> PCE2> PCE3。 关键词： 聚羧酸减水剂； 流变性能； 屈服应力； 稳定性恢复； 适应性
2 试验结果与分析
2.1 聚羧酸减水剂净浆流动度
表2为3种聚羧酸系减水剂的净浆流动度测试结果。
2.2 聚羧酸减水剂流变性能
在净浆流动度试验过程中可以看出， 3种减水剂在净 浆流初始流动度为200mm左右时， 浆体分散保持能力差异
86
CHINA CONCRETE 2017.11
NO.101
Experimental Research
。
混凝土流变性能被认为是迄今为止表征工作性能最 理想的方法。 流变学是研究其流动和变形的重要学科， 混 凝土流变学通过屈服应力、 黏度等参数定量地表征混凝 土工作性能
[4～7]
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥： 江南小野田P·II 52.5水泥， 其化学组成见表1。 聚羧酸系减水剂： 江苏苏博特新材料股份有限公司生 产的3种不同分子结构的聚羧酸系减水剂， 其分子结构示 意图如图1所示。
收稿日期：2017-10-13
2017.11 混凝土世界
85
试验研究
Experimental Research
SiO2 21.10
Al2O3 6.16
CaO 64.8
表 1 水泥的化学组成
MgO 1.94 Fe2O3 4.41
SO3 2.52
Na2O 0.48
%
烧失量 2.59
试验研究
表 2 净浆流动度测试结果
折固掺量 % 净浆流动度（mm） 初始 170 200 240 150 185 250 175 195 235 30（min） 150 190 235 130 170 260 180 190 260
减水剂
0.08 PCE1 0.10 0.12 0.12 PCE2 0.15 0.18 0.15 PCE3 0.18 0.22
按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》 （GB80772000）进行水泥净浆流动度测试， 水灰比为0.29， 减水剂 为掺量按照水泥质量的百分比折固后掺入， 并扣除其中的 水。 分别测试初始流动度以及放置30min时的流动度。
总101期
中， 人们往往希望混凝土在泵送过程中具有合适黏度， 提 高泵送效率。 而在混凝土放置过程中有很好的稳定性， 不 出现离析、 泌水， 即有合适的屈服应力。 性能优异的悬浮
PCE1
PCE2
图 2 屈服应力测试程序
PCE3
图 1 聚羧酸系减水剂分子结构示意图
1.2.2 流变性能
水泥净浆 搅 拌结束后， 采用B o ok f ield公司生产的 Rheometer型流变仪测试浆体的流变性能。 分别按照图2中 屈服应力测试程序和图3中凝胶结构恢复测试程序进行流 变性能测试。 其中， 图2表示测试浆体在Biblioteka Baidu切应力缓慢增 加的过程中， 剪切速率的变化， 通过剪切速率的突变来反 映浆体的屈服应力。 首先将搅拌均匀水泥净浆导入测试筒 中并静置2min， 然后按照图2的测试程序测试浆体的在剪 切应力逐渐增加以及剪切应力逐渐减小阶段的流变曲线。 图3是浆体的稳定性恢复时间测试程序， 首先把浆体在高 速剪切条件下搅拌均匀， 其目的是浆体中的颗粒充分分 散， 然后迅速降低至微小恒定的剪切速率（0.5s ） ， 测试 剪切应力的变化， 通过测试剪切应力的变化来反映浆体凝 胶状态恢复的时间 。
。 其中塑性黏度反映的是悬浮的固相颗粒
之间、 固相颗粒与液相之间以及连续液相内部的内摩擦作 用的强弱， 在混凝土工作性中表现为拌合物的黏度； 屈服 应力则是指能够使流体开始产生流动的剪应力， 在混凝土 工作性中与包裹性及稳定性相关
[8～10]
。 在混凝土施工过程
1.2 试验方法
1.2.1 净浆流动度
前言
聚羧酸系减水剂作为现代混凝土的关键材料， 已经在 各种工程建设中得到了广泛地应用。 随着混凝土施工技 术的发展， 高强混凝土、 高层泵送混凝土、 自密实混凝土 已经大量地应用于建筑施工中， 对于混凝土的工作性能不 断提出新的要求 。 通过分子结构的设计， 实现聚羧酸系 减水剂对于混凝土工作性能的调控是聚羧酸系减水剂研 究和开发的热点之一， 而如何定量评价聚羧酸系减水剂对 混凝土工作性能的影响是需要首先解决的问题
[2,3] [1]
液体系在剪切作用下， 稳定的悬浮结构被破坏， 当失去剪 切作用力后能够迅速恢复为稳定的悬浮体结构， 以保证悬 浮液的稳定。 而在新拌混凝土中， 搅拌和泵送等剪切作用 力停止后， 混凝土能够迅速恢复并保持稳定、 不发生沉降 则是混凝土具有优良和易性的重要表现。 本文从水泥浆体的流变特性出发， 采用水泥浆体屈服 应力直接测试方法和浆体的稳定性恢复速率测试方法对 比了不同类型的聚羧酸系减水剂对水泥浆体流变特性的 影响， 希望为聚羧酸系减水剂开发过程中对混凝土工作性 影响的表征提供一定的借鉴。
[11] -1
图 3 凝胶结构恢复测试程序
从表2可以看出， 3种聚羧酸系减水剂表现出不同的分散性 能， 达到相同的净浆流动度时， PCE1的掺量最低， PCE2次 之， PCE3最高。 表明PCE1的分散能力最强， PCE2次之， PCE3最弱。 然而， 分散保持能力的顺序则相反， 分散性强 的聚羧酸表现出的经时保持能力较差， 这主要是由于聚羧 酸系减水剂在水泥颗粒表面的吸附具有经时变化的特点， 掺量较高的PCE3在液相中残留量较多， 能够持续提供保 持分散所需要的外加剂。