温轮胶对高性能灌浆料流变性能的影响

３温轮胶对灌浆料工作性影响
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灌浆料的工作稳定性可从灌浆料颗粒的分层性和泌水性两方面衡量。料浆分层后导致 泌水是浆液工作性不稳定的特征表现，泌水率越大，浆体稳定性就越差。泌水量大、保水 性不佳的浆体，也容易分层离析，进而影响浆体的Ｊ下常硬化并最终影响其强度均匀性‘５１。 为更好地对比不同掺量下温轮胶的稳定效果，分别对不同温轮胶掺量下的灌浆料进行观测， 实验中控制水灰比为２。实验用配合比及实验结果见表２。
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同时还可看出，随者温轮胶掺量的增加，料浆的初始表观粘度随之增加．这是由干温 轮胶的引人，提高了浆液的粘度。这可从温轮胶的自身特性看出（图２）．即从其在纯水中 表观粘度与温轮胶掺量（或浓度）间的关系来看，随着温轮胶掺量的增加，初始表观粘度 呈明显增大的趋势。在此，温轮胶的增稠作用占据着主导作用。 其实，从本质上来分析．温轮胶对灌浆料浆料粘度的影响是具有二重性的： 一是随着温轮胶掺量的增加，温轮胶自身的增稠特性对水泥浆料的早期粘度产生影响， 表征料浆表观粘度和屈服应力（图４）的增加。这可从其分子结构式进一步表明，由于其 氢健存在于聚合物链上的两个糖苷环之间，导致溶液体系粘度明显增大，使其能更好地粘 附在物质表面．使整个溶液体系产生一种太范围的桥式效应，从而增大屈服值，具有较强
２原材料及试验方法
２．１原材料 １）灌浆料 为实验室自制灌浆料。相应化学成分见表１。 表１灌浆料化学成份
２）温轮胶 温轮胶为市售，其分子结构示于图ｌ。实验用温轮胶在２５℃不同浓度下的表观粘度随 剪切速率的变化而变化的关系示于图２。从图２可以看出，温轮胶属于典型的假塑性流体， 在相同浓度时其溶液表观粘度随剪切速率的增加而明显降低，而在相同剪切速率下，随浓 度增加，即由浓度Ｃ－＝Ｏ．ｏｓｅ，／Ｌ增至Ｃ＝０．７９／Ｌ时，其表观粘度增大。
温轮胶对高性能灌浆料流变性能的影响
赵青林１ ２。何涛１，陶方元１，郭王欢１，周明凯１
２
ｌ武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉，４３００７０ ２硅酸盐材料工程教育部重点实验室，武汉，４３００７０
摘要；采用桨式流变仪，在固定灌浆料水灰比不变的情况下，测试了在恒定剪切速率
与变化剪切速率下湓轮胶对灌浆料料浆表观粘度的影响。结果表明，在大水灰比下引入少
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化速度”Ｊ。图５中，因为其它实验条件都是彳口同的，所以水泥的水化速度基本相同，即浆
体微观结构的絮凝速率可以认为相同，那么浆体的粘度随时间的变化规律就取决于剪切分 散速率与温轮胶的掺量。在５ ｓ。较低的剪切速率Ｆ，浆体结构剪切分散速牢小于浆体结构
絮凝速率，所以表现出来浆体粘度随若时问的增长粘度呈微上升趋势。在２０ ｆ１较高的剪切
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’图１温轮胶分子结构示意图Ⅲ ３）其它外加剂
Ｃ６Ｈ８０７・Ｈ２０。
剪切速率（ｓ。）
图２ ２５＂ｃ－Ｆ＇温轮胶纯水溶液粘度与剪切速率关系
减水剂采用聚羧酸减水剂，为黄色粉末状、易溶于水，２０％水溶液ｐＨ值为６．５．８．５（２０。Ｃ）， 主要用于提高灌浆料的流动性。缓凝剂为化学纯柠檬酸，白色颗粒，化学分子式
ｆ１、２０
在５
ｓ。。的恒定剪切速率下，不同温轮胶掺量下灌浆料粘度随时间的变化曲线如
圈５所示。由圈５可以看出，在５一低剪切速率下，随时间的变化，表观粘度呈先降低后 略微增大的趋势。而在２０一较高剪切速率下，表观粘度随时间延陡呈整体下降的趋势，后 期的增长不如低剪切速率下的明显。这主要是由于浆体粘度随时间的变化取决于浆体微观 结构絮凝速率与剪切分散速率之间的相对大小，其微观结构的絮凝速率则取决于水泥的水
１引言
水泥基灌浆料在各工程领域中的应用愈来愈广泛，其灌浆效果是否优良主要取决于灌 浆材料本身和灌浆施工技术。为了满足工程对高流态的需要，灌浆料用水灰比一般较高， 在这种情况下，防止浆液的泌水和离析显得非常的重要。为满足高水灰比下灌浆料抗离析， 各种外加剂也因此纷纷涌现，市售稳定剂的畅销就充分体现了这一需求。在诸多稳定剂中， 考虑到使用时对生态和环境效应的影响，生物聚合物也因此成隽新宠，从属生物聚合物类 的温轮胶己被发现其是使灌浆料和混凝土稳定和阻止离析的最好选择。 在应用中，温轮胶具有几个胜于任何其他生物聚合物优势，它们是［１】： （１）在溶解状态中粘度发展迅速；
的增稠、增塑作用１２］。但在高剪切速率下，聚合体结构解聚为无规则线倒结构．使粘度迅 速降低，
即表现为剪切速率大于１２５￥－Ｉ时，不同掺量温轮胶的料浆表观粘度基本相同。 二是随着温轮胶掺量的增加，温轮胶延缓水泥水化的功能也愈明显，即水泥浆料的凝
结硬化变缓，水泥的水化得到延缓。灌浆料粘度后期的增加主要原因是由于水泥水化形成 了ＣｏＳ．Ｈ凝胶相而使得浆体变稠，而温轮胶通过延缓水泥的水化可降低浆液的后捌屈服应 力和表观粘度的增长幅度，从而表征出更好的易灌性。即由于温轮胶的缓凝作用使得水泥 浆料水化引起的料浆表观粘度和屈服应力的增加作用相对减弱，进而导致料浆表观粘度和
屈服应力的相对降低。
因此，灌浆料晟终的流变特性。取决于二者的共同作用。谁占主导地位，料浆就表征
出对应的流变特性变化。
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图４不同温轮胶掺量时料浆表观粘度（左）和剪切应力（右）与剪切速率的关系
３
２恒定剪切速率下时问与浆体表现粘度的关系
浆的触变性能。从总体来看，浆体为时变性 非牛顿流体。
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２００
触变性能够很好地反映出新拌水泥浆 体内部结构的变化，ｒ升阶段随着剪切速
图６不同掺量温嚣：：；鬻羹触变性影响
率的增加，从图６可知其剪切应力也随着增加，故为剪切破坏的过程。料浆内部颗粒问相 互作用力越强其浆液越稳定，在其上升阶段时在相同剪切速率下转子所遇到的阻力越大， 浆体的微观结构越难破坏，进而表征为温轮胶能提高料浆的稳定性。为更好地表征料浆的 流变特性。对曲线按Ｈｅｒｓｃｈｅｌ－Ｂｕｌｋｌｃｙ模型进行拟合。
而在旋转过程中檠式转子在样品中的行为与一个同轴圆柱体很相似。这样的装簧也更适合
灌浆料浆体流变特性的研究。
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图３测试系统栗Ｊ｛＝］Ｖ８０－＃０紫式转子示意图｛１Ｉ 试验中水泥用量为４００９、聚羧醴减水剂为４９、柠檬酸掺量为５％ｏ、水灰比（ＷＩＣ）Ｙａ ０．３， 温轮腔按实验｛殳计分别引入０．００％ｏ、０．０２％ｏ、０ ０６‰和０ ｌＯ‰，该温轮胶掺量的控制是以它 的引入不对强度产生明显影响为前提。称量好的试样充分混匀后，采用净浆搅拌机快速搅 拌３ｒａｉｎ后进行以下实验： １）变化剪切速率测试：在１８０ｓ内使剪切速率从０ ｓ．１增加到２００一。测试不同料浆表观 粘度随剪切速率的变化。 ２）恒定剪切速率测试：分别在５ｓ＂１、２０ｓ－。的恒定剪切速率下测试料浆表观粘ｔｔ－与Ｕｔｆ．１ 的变化关系．测试时问为ｌＳ０ｓ。 ３）触变性测试：在１８０ｓ：ｊ使剪切速率从０ ｓ。增加到２００ ｓ～．然后在相同时间内从２００ｓ＿１ 降至。一，测试剪切应力随剪切速率的关系。
赵青林：副研究员，博士，武汉理工大学材料科学与工程学院，硅酸盐材料工程教育部重点 实验室，武汉，４３００７０
（２）在浓聚物溶液中即使含量低至０．１‰，其也能发挥高粘度的有效性；
（３）温度稳定性达１５０℃； （４）对二价阳离子，如钙，表现出相对稳定性。 这些优良特性使它在水泥浆、砂浆、混凝土及高温钻井液中得到推广应用。关于温轮 胶对水泥浆液流变性能的影响以及温轮胶在干粉类水泥灌浆料中的使用也曾有人研究过 ［２－３］，但温轮胶对灌浆料流变性能的影响还需进一步探明。因此为了使掺温轮胶的灌浆料在 工程中得到更好的使用，本文就温轮胶对灌浆料浆液流变性能的影响进行了相应探讨。
表２不同掺量温轮胶对料浆稳定效果对比
由表２可见，随着温轮胶掺量的增加，在大水灰比下料浆的泌水和分层逐渐得到改善。 对本体系灌浆料，在引入０．０６％ｏ的温轮胶后料浆的泌水和分层现象就可以消失。这也表明 温轮胶具有良好的抗离析效果，可大大提高浆料的稳定性。
４温轮胶对灌浆料流变性能影响
从掺温轮胶后灌浆料的工作性来看，温轮胶具有明显的提高浆体抗泌水和分层离析的 作用，加之温轮胶在０．１０‰掺量以下可保证施工所需的强度，表明该类型灌浆料从新拌浆 料的工作性和硬化浆体的力学特性上来看，已符合工程对灌浆料的要求。为此，为进一步 探讨其在不同工作状态下性能变化，特在此对料浆的流变特性进行探讨。考虑到现场实际 灌注情况，分以下二利”隋形来进行探讨： １）考虑现场有不同搅拌方式（如快搅和慢搅），因而不同剪切速率下料浆表观粘度的 变化为首先探讨的因素，进而确定适宜的现场搅拌方式。 ２）同时适宜搅拌时间也是重要参数之一，因而在恒定剪切速率下，灌浆料粘度的经时 变化情况也为需探讨的因素之一，依此可确定适宜的搅拌时间。
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２
２试验方法
１）灌浆料泌水率测定
静冕法，控制水灰比为２，把搅拌好豹料浆装入容量为２５０ｍＬ的量筒且用保鲜膜封住
上口防止水分蒸发，静置１ｈ后观察其泌水率及相关现象． ２）灌浆料枯度和屈服应力测定
实验采用桨式流变测定法．仪器为美国Ｂｒｏｏｌｄｉｅｌｄ公司生产的Ｒ／Ｓ．ＳＳＴ型号流变仪， 测试系统采用Ｖ８０－４０桨式转子，测试范围为剪切应力６－２００Ｐａ之间（见图３），并利用 Ｒｈｅ０２０００软件进行数据分析处理。测试时将样品加＾由唰柱体外简和四页桨式转子组成的 样品容器中ｒ然后使浆叶在受控的速率下转动。该装霹的优点是可以在一定程度，ｔ－．防止水 泥颗粒的沉降和浆体的离析，并可使待测样品颗粒尺度放宽至２ｍｍ。和由内筒和外筒组成 的同轴圆柱流变仪相比，ＰＪＳ－ＳＳＴ型号流变仪还可以抑制由内筒壁产生的壁面磨擦效应，
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Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｌｅｙ模型为：ｆ＝ｆ。＋矽”
式中：ｆ一剪切应力，Ｐａ：ｆ。～屈服应力，Ｐａ：尼一塑性粘度，Ｐａｓｍ：ｍ－－Ｈｅｒｓｃｈｅｌ．Ｂｕｌｋｌｅｙ
４．１剪切速率的变化对料浆表观粘度影响 图４（左）为不同温轮胶掺量下料浆剪训速率与表观粘度的关系曲线。从曲线变化规 律可见，浆体表征为明显的剪切变稀特性，即在一定的剪切速率范围内，随着剪切速率的 增加，料浆的表观粘度降低。对本体系，当剪切速率大于１２５ｓ。１时，灌浆料的表观粘度不 再有大幅变化，并逐渐趋于恒定。该现象表明，对掺温轮胶的料浆，搅拌速率应采用高速 搅拌，这样可改变料浆的工作性，降低料浆的粘度，进而提高浆体的流动性。
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பைடு நூலகம்
（ａ）剪切速率５
（ｂ）剪切速率２０ 图５不同掺量的温轮胶料浆表观粘度与时问关系
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３．３不同掺量以及不同外加剂对浆液触
变性影响
６００ ５００ ４００
在相同的测试条件下，温轮胶掺量变化 分别对料浆触变性的影响结果如图６所示。 料浆的触变性可以用触变曲线所围面积表 示，面积越大触变性越强。从｜｛｝｜６中分别可 以看出，随着温轮胶掺量的增加可以减小料
速率下，初期表征为剪切变稀，之后特度随时问的延长趋于稳定，并没有随时间的推移而
表现卅粘度明显增加的现象。这表明，在该剪切速率Ｆ，后期浆体结构剪切分散速率和浆 体结构絮凝速率相当。该现象也表明，采用高速搅拌，可使浆液性能更加稳定。同时适当
的搅拌时间也是傈障料浆稳定的条件之，存剪切速率２０ ｓ‘１时．浆液的搅拌时间以１００ｓ 为宣。当然，不同搅拌速率ｒ相应的搅拌时间可通过实验确定。
量的温轮胶可有效抑制灌浆料的泌水和离析。温轮胶对水泥基灌浆料浆料粘度的影响具有 二重性：一方面随着温轮胶掺量的增加，温轮胶自身的增稠特性使得浆料的粘度增加；另 一方面温轮胶通过延缓水泥水化而消弱因水泥水化引起的浆体粘度增加，造成料浆表观粘 度和屈服应力的相对降低。在二者共同作用下，料浆在不同的测试条件下表征出不同的流 变特性。同时，为使浆液性能更加稳定，掺温轮胶后灌浆料宜采用高速搅拌，并需保证一 定的搅拌时间。从整体来看，掺温轮胶后灌浆料的流变曲线符合Ｈｅｒｓｃｈｅｌ—Ｂｕｌｋｅｙ流体模型， 浆体表征为时变性非牛顿流体，随着温轮胶掺量的增加，屈服应力和塑性粘度Ｋ值随搅拌 时间延长呈现增大的趋势。 关键词：温轮胶；灌浆料：流变性能