以高分子質量生物膠優化自密實混凝土性能的研究*

楊 謙

（陜西工業職業技術學院，陜西咸陽712000)

自密實混凝土制備過程中，必須添加超塑化劑與增稠劑，而由于聚羧酸系列超塑化劑相對于傳統超塑化劑，具備更為突出的減水率與更為良好的工作性能，且可長期保持工作性能，因此已發展為自密實混凝土制備的優選超塑化劑[1]。此外因為自密實混凝土坍落度及其擴展度偏大，很容易出現離析泌水現象，所以需根據實際需要適當添加增稠劑。而且自密實混凝土流動性過大與離析泌水加劇間的矛盾始終不可調和[2]，據此為有效緩解此矛盾，本研究以高分子質量生物膠為基礎進行了混凝土性能優化。

1 實驗

1.1 原料

選用原料主要包括：與《混凝土外加劑》要求相符的基準水泥；與《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求相符的粉煤灰；與《用于水泥和混凝土中的礦粉》要求相符的S95級礦粉，其具體化學組分[3]見表1；以石灰巖碎石與天然河砂為粗細集料；以江蘇蘇博特新材料企業生產的聚羧酸減水劑作為減水劑；自來水；高分子質量生物膠。

表1 原料組分（單位：%）Table 1 Raw material composition

其中，高分子質量生物膠，即基于產堿菌屬培養液所提取菌株，將天然淀粉等碳水化合物當作主原料，以制備而成的生物多糖。高分子質量生物膠制備流程[4]如圖1所示。

圖1 高分子質量生物膠制備流程Fig.1 Preparation process of polymer mass biological gel

高分子質量生物膠的相對分子質量超出500萬，由D-葡萄糖、D-葡萄糖醛酸、L-鼠李糖、L-甘露糖共同構成。為測試高分子質量生物膠的作用效果，實驗以聚丙基羥基纖維素醚、羧甲基纖維素醚、溫倫膠三種混凝土流變改性劑，進行了對比分析。

1.2 混凝土

通過不同流變改性劑對于自密實混凝土工作性能的影響作用分析，設計混凝土配合比[5]見表2。

表2 自密實混凝土配合比（單位：kg/m3）Table 2 Mixture ratio of self-compacting concrete

一般情況下，自密實混凝土需要消耗更多時間進行攪拌混合，以確保材料混合充分且均勻，即首先干混集料、水泥、粉煤灰、礦粉30s，其次于15s之內添加80%水，混合攪拌1min，最后添加剩余20%水、聚羧酸減水劑、流變改性劑，混合攪拌90s，整個過程持續3min。

1.3 測試方法

以RS-SST軟固體測試儀器測試水泥漿體流變性能。漿體通過攪拌機攪拌混合均勻之后，快速轉移于流變儀，儀器剪切速率變化具體為五個環節[6]:（1）60s預剪切，速率為100s-1，負責排除水泥漿體可能存在的不均勻性；（2）10s之內，速率下降到0；（3）保持靜止狀態60s；（4）60s之內速率上升到100s-1；（5）60s之內速率下降到0。在剪切速率整個變化過程中，每間隔1s獲取1個數據點，測試室溫始終處于20℃，最高剪切速率則保持在100s-1。

以坍落擴展度、T50擴展時間、V漏斗通過時間、J環擴展度、篩析浮漿百分比法測試混凝土填充性、間隙通過性、抗離析性等。在混凝土攪拌混合成型之后，及時測試分析，于10min之內完成所有測試工作。

2 實驗結果分析

2.1 流變性能分析

有研究表明新成型水泥漿、砂漿、混凝土會呈現出假塑性、腫脹流體等特征，這時剪切應力-應變曲線通常以赫切爾-巴爾克模型加以分析則更加精確[7]。適度改變流變改性劑類型與摻量，可獲取具備不同流變特征的水泥漿體，基于剪切速率變化第五環節的截距與斜率，得知水泥漿體屈服應力與表觀黏度，結果具體見表3、表4。

表3 基于不同流變改性劑摻量的水泥漿體屈服應力（單位：Pa）Table 3 Yield stress of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

表4 基于不同流變改性劑摻量的水泥漿體表觀黏度（單位：Pa·s）Table 4 Surface viscosity of cement slurry based on different dosage of rheological modifier

由表3、表4可知，在流變改性劑摻量逐漸增多的趨勢下，不同類型流變改性劑都會促使水泥漿體屈服應力、表觀黏度有所增大，但是相對來講，基于高分子質量生物膠的水泥漿體的屈服應力、表觀黏度提高的態勢比較平緩，這就說明其敏感性相對偏低。如此將會為其在流動性較大的水泥基材料中，特別是自密實混凝土中的實踐運用提供便利，可就實際原料與配合比需求，在大摻量范圍之內適度調整拌合物的屈服應力、表觀黏度，防止了常用流變改性劑摻加之后摻量出現稍微變化，拌合物狀態便呈現顯著差異，導致難以獲得最佳工作性能的不良狀況。

測驗摻加不同類型流變改性劑對水泥漿體假塑性的影響，基于剪切速率變化第五環節的規律加以分析，發現不同摻量流變改性劑的加入時，所有水泥漿體樣本的擴展度都可控制于220±10 mm范圍內。而相對于摻加其他流變改性劑的水泥漿體，摻入高分子質量生物膠的水泥漿體假塑性在剪切速率逐步提高的形勢下，體系黏度呈現為下降狀態。通常情況下，摻入減水劑之后的水泥基材料拌合物會呈現剪切相對變稠的現象，而且水膠比越低，減水劑摻入量越多，粗骨料最大粒徑越大，此現象則會愈發明顯[8]。

測驗摻加不同類型流變改性劑對水泥漿體觸變性的影響，基于剪切速率變化第五環節的規律加以分析，以構成整體滯后環，發現所有水泥漿體樣本擴展度都可控制于220±10 mm范圍內。而相對于摻加其他觸變劑的水泥漿體，摻入高分子質量生物膠的水泥漿體觸變性最為顯著。觸變性直接反映了基于外力剪切作用體系結構拆散與重建速率的差異、以及拆散與重建需要能量的差異。流體材料觸變性與假塑性不同[9]，觸變性反映的是材料剪切黏度基于剪切時間的實時變化規律；假塑性反映的是材料剪切黏度基于剪切速率的實時變化規律。

2.2 工作性能分析

自密實混凝土工作性能具體見表5。

表5 自密實混凝土工作性能Table 5 Performance of self-compacting concrete

由表5可知，所有型號自密實混凝土坍落擴展度都控制于650～750 mm范圍內，但是本實驗所用混凝土膠凝材料只有419kg/m2，以適度添加更多減水劑的方式擴大了坍落擴展度，但是也在很大程度上加劇了拌合物的離析傾向，自密實混凝土1的V漏斗通過時間、J環擴展度等指標，浮漿百分比等指標都處于劣化態勢，與標準要求不符。不同類型和摻量下，流變改性劑在自密實混凝土中的添加，均可有效改善其V漏斗通過時間、J環擴展度、浮漿百分比，相較而言，摻加高分子質量生物膠時自密實混凝土的填充性、間隙通過性、抗離析性等多元性能處于最佳狀態。

自密實混凝土在制備且調整時，由于漿體含量偏低，水灰比偏大，而屈服應力和表觀黏度較小，極易出現離析現象，而添加流變改性劑，可有效提高其屈服應力、表觀黏度。由表5可知，為切實緩解膠材用量低時流動性過大與粘聚性較好之間的矛盾，實驗以纖維素醚、溫倫膠、生物膠等為輔助使得此矛盾得以解決，但是纖維素醚與溫倫膠在提升屈服應力，并防止跑漿與離析等現象時，發生了黏度增大過度的不良現象，流動性也大大降低，T50擴展時間、V漏斗通過時間明顯延長。但是生物膠的摻入敏感性比較低，可確保自密實混凝土屈服應力與黏度呈現為平緩增長狀態，且流動性與粘聚性較好。

此外為獲取較好工作性能，自密實混凝土黏度與屈服應力相伴相長[10]，對此可基于提高拌合物假塑性的方式，削減黏度增長過度所造成的負面影響。混凝土實踐應用時，不論翻轉、攪拌、泵送、壓力、重力灌注，均以外力剪切作用為載體進行操作，所以盡量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可獲得良好工作性能。

明顯假塑性利于拌合物受力運動時的工作性能，但是終歸要回到靜止狀態，而外力剪切作用則會被消除，此時過低黏度極易造成嚴重離析。所以自密實混凝土拌合物應同時具備合適的觸變性，也就是在外力剪切作用消除之后，拌合物體系動態屈服應力與塑性黏度需基于既定速率恢復重建，不可快速促使混凝土于短時間之內完全喪失工作性能增幅，不可過慢導致難以阻止離析現象。

綜上可以看出，高分子質量生物膠摻入自密實混凝土，為拌合物帶來了良好屈服應力、表觀黏度，較高假塑性、觸變性。所以摻加高分子質量生物膠的自密實混凝土工作性能處于最佳狀態，還可基于優化泌水率與均衡性，提高硬化之后的整體性能。

3 結論

由于高分子質量生物膠屬于典型的假塑性流體，溶液黏度在剪切速率上升時呈現為顯著下降態勢，因此可切實促使材料生成假塑性與觸變性。據此本文以高分子質量生物膠為輔助優化了自密實混凝土。以聚丙基羥基纖維素醚、羧基纖維素醚、溫倫膠為基礎，與高分子質量生物膠進行了對比實驗，并測試了自密實混凝土工作性能，結果表明：相較于纖維素醚與溫倫膠，摻加高分子質量生物膠，水泥漿體的屈服應力、表觀黏度提高的態勢比較平緩，說明其敏感性相對偏低；摻加高分子質量生物膠時自密實混凝土的填充性、間隙通過性、抗離析性等多元性能處于最佳狀態，且流動性與粘聚性較好；混凝土實踐應用時，不論翻轉、攪拌、泵送、壓力、重力灌注，均以外力剪切作用為載體進行操作，所以盡量提高拌合物假塑性，促使其黏度下降，以此便可獲得良好工作性能。總之，高分子質量生物膠摻入自密實混凝土，為拌合物帶來了良好屈服應力、表觀黏度，較高假塑性、觸變性。所以摻加高分子質量生物膠的自密實混凝土工作性能處于最佳狀態，還可基于優化泌水率與均衡性，提高硬化之后的整體性能。