不同因素對建筑渣土泥漿流變性能的影響

鐘翼進， 何 倍， 任 強， 蔣正武，*

（1.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.同濟大學 材料科學與工程學院，上海 201804）

隨著中國城市基建設施的加快建設，大量建筑渣土和廢棄泥漿堆積已嚴重影響施工安全和城市綠色發展［1］.目前處置建筑渣土泥漿的方法主要以運輸填埋和固化回填為主，常用的固化劑有石灰［2-3］、水泥［4-5］、礦物摻和料［6］及其他固化材料［7-8］，且需要在低含水率的情況下實現固化土強度的發展，導致其在施工過程中工作性不理想，常需碾壓夯實才可作為回填材料，附加值和資源轉化率低［9］.

灌漿材料和澆筑式材料是常見的高附加值材料，具有初始流動性能好、經時損失小和后期強度高等性能.對渣土泥漿的流變行為進行研究，在不改變漿體水固比的情況下實現漿體流變性能的可調節，使其具有低含水率、高流態的施工性能，具有重要的現實意義.泥漿是典型的非牛頓流體，可采用賓漢姆流變模型擬合其流變曲線［10-11］.但當含水率低或是漿體中含有大量黏土礦物時，泥漿的流變行為更加類似于假塑性液體［12-13］.赫切爾-巴爾克流變模型被廣泛應用于擬合水泥漿體［14］、泥漿［15］及陶瓷料漿［16-17］等假塑性流體.

漿體中黏土顆粒易吸附外加劑［18-20］，由此可使顆粒間產生排斥力，釋放被包裹的自由水，從而達到改善渣土泥漿流變性的目的.基于此，本文針對低含水率建筑渣土泥漿流變性能差的問題，研究了含水率、外加劑對建筑渣土泥漿流變性能的影響，確定其流變性能最優的外加劑及其摻量，并闡明了外加劑的作用機理.

1 試驗

1.1 原材料

建筑渣土泥漿（后文簡稱渣土泥漿）為寧波市海曙區施工開挖的砂土質渣土，其含水率1）文中涉及的含水率、水灰比等均為質量分數或質量比.（以烘干渣土的質量計）在25%左右，真密度為2.85 g/cm3，pH值為8.9，呈弱堿性.為使渣土泥漿均質化，將其烘干破碎并過0.6 mm 網篩得到磨細渣土.渣土泥漿的粒徑分布和XRD 圖見圖1，其化學組成見表1.由圖1 可見，渣土泥漿的主要成分為石英、白云母、綠泥石、高嶺土和蒙脫土.外加劑為上海英杉新材料科技有限公司產PC-200 高性能聚羧酸減水劑（SP）和季銨鹽型表面活性劑（YZ），其基本性能指標見表2.

表1 渣土泥漿的化學組成Table1 Chemical composition of waste mud w/%

表2 外加劑的基本性能指標Table 2 Basic performance indexes of additives

圖1 渣土泥漿的粒徑分布和XRD 圖Fig.1 Particle size distribution and XRD pattern of waste mud

1.2 試驗方法

采用NJ-160 水泥凈漿攪拌機，按表3 所示配合比將渣土泥漿和水快速攪拌1 min，再靜置5 min，并將此時作為計時起點，即靜置時間t=0 min.以渣土泥漿的質量計，設定渣土泥漿的含水率ww分別為40%、50%、60%，外加劑YZ、SP 的摻量w分別為0.1%、0.2%、0.3%，研究不同靜置時間t下含水率ww對渣土泥漿以及外加劑摻量w對不同含水率渣土泥漿流變性的影響.渣土泥漿的配合比及其靜置時間見表3.

表3 渣土泥漿的配合比及其靜置時間Table 3 Mix proportions and rest time of waste mud

采用Brookfield DVNext流變儀測試渣土泥漿的流變性能，剪切速率為0～60 s-1.動態剪切測試主要分為預拌階段、剪切速率上升階段、剪切速率下降階段3 個階段.其中預拌階段剪切速率為60 s-1，使漿體達到均質狀態；上升階段剪切速率以2.5 s-1階梯式上升；剪切速率達到60 s-1后，保持10 s 后開始以2.5 s-1階梯式下降，每1 個階梯剪切速率持續2 s.動態剪切測試中剪切速率隨時間的變化見圖2.渣土泥漿的表觀黏度根據流變儀默認設置由儀器直接測得，塑性黏度和屈服應力通過測得的試驗數據擬合計算得到.

圖2 動態剪切測試中剪切速率隨時間的變化Fig.2 Change of shear rate with time in dynamic shear test

2 結果與討論

2.1 含水率對渣土泥漿流變性能的影響

不同含水率渣土泥漿的表觀黏度見圖3.由圖3可見：隨著剪切速率的增大，渣土泥漿的表觀黏度先下降，然后小幅度上升，最后下降并趨于穩定；隨著含水率的增加，渣土泥漿表觀黏度上升階段變短，拐點出現的剪切速率變小，如WS40 的拐點剪切速率為55 s-1，WS50 的拐點剪切速率提前至37.5 s-1，而WS60 的拐點剪切速率大幅提前至7.5 s-1；WS60的表觀黏度在拐點之后逐漸減小并趨于穩定，其穩定表觀黏度值最小.靜置時渣土泥漿中含有大量固體顆粒，其與黏土礦物形成“卡片屋”結構［21-22］，具有一定抵抗外部剪切應力的能力，且固體顆粒占比越多，其相互作用力越大，從而導致宏觀上表現為屈服應力和初始表觀黏度較大［23］.渣土泥漿初始階段表觀黏度隨著剪切速率的增大逐漸下降，這是源于“卡片屋”結構在剪切應力作用下逐漸受到破壞.此時固體顆粒分散分布在溶液中，其表觀黏度主要取決于類似于固體的布朗擴散運動［21，24］.隨著剪切速率的繼續增大，渣土泥漿表現出剪切變稠的流變狀態即流變曲線的上升階段.隨著剪切速率的進一步增大，渣土泥漿中被顆粒所包裹的自由水在剪切運動中釋放出來并產生離析現象即表觀黏度曲線拐點，使得渣土泥漿呈剪切變稀的流變行為即流變曲線的下降穩定階段.

圖3 不同含水率渣土泥漿的表觀黏度Fig.3 Apparent viscosity of waste mud with different water contents

不同含水率對渣土泥漿流變性能的影響見圖4.由圖4 可見：在相同剪切速率下，隨著靜置時間的增加，不同含水率渣土泥漿的剪切應力均增大；不同含水率渣土泥漿的流變曲線形狀不同，WS40 的流變曲線在剪切速率60 s-1內均呈現為剪切變稠，WS50的流變曲線在剪切速率40 s-1內表現為剪切變稠，40～60 s-1表現為剪切變稀，WS60的流變曲線在剪切速率10 s-1內表現為剪切變稠，10～60 s-1表現為剪切變稀.

圖4 不同含水率對渣土泥漿流變性能的影響Fig.4 Effects of different water contents on rheological properties of waste mud

在0～60 s-1剪切速率范圍內，不同含水率渣土泥漿的流變曲線形狀不同.為了能夠更加真實地表征渣土泥漿的流變性能，舍棄10 s-1以下的剪切速率區域，將試驗數據代入赫切爾-巴爾克流變模型中進行非線性擬合（WS50 的流變曲線含有2 個階段，選擇其剪切變稠階段進行擬合），擬合曲線見圖4，其整體擬合優度R2均大于0.99.由此可見，赫切爾-巴爾克流變模型能夠有效地描述渣土泥漿的流變行為.

由圖4 中的擬合曲線可以得到不同含水率渣土泥漿的屈服應力和塑性黏度，結果見圖5.由圖5 可見：在相同含水率下，隨著靜置時間的增加，渣土泥漿的屈服應力和塑性黏度均出現一定程度的增大，表明渣土泥漿流變性能變差；在相同靜置時間下，隨著渣土泥漿含水率的增加，渣土泥漿的屈服應力和塑性黏度均減小，表明渣土泥漿流變性能變好.渣土泥漿的塑性黏度反映其流動過程中所受到的阻力，塑性黏度的變化表征其流變保持性或經時損失.由圖5 還可見，靜置時間120 min 內：WS40 的塑性黏度增加了3.54 Pa·s，表明其流變經時損失較大，流變保持性能差；WS50 的塑性黏度增加了0.47 Pa·s，相較于WS40，其流變保持性有大幅度提升；WS60 的塑性黏度僅增加了0.16 Pa·s，表明其流變保持性最好.綜上，隨著含水率的增加，渣土泥漿的流變性能受靜置時間影響減小，流變保持性變好.

圖5 不同含水率渣土泥漿的屈服應力和塑性黏度Fig.5 Yield stress and plastic viscosity of waste mud with different ww

2.2 聚羧酸減水劑摻量對渣土泥漿流變性能的影響

不同聚羧酸減水劑摻量對WS50 表觀黏度的影響見圖6.由圖6 可見：隨著剪切速率的增大，不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 流變行為不同；與WS50相比，WS50-SP0.1%、WS50-SP0.2% 流變行為相似，均呈現三段式；隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，初始下降階段和中間小幅度上升階段的渣土泥漿表觀黏度均增大，其原因在于聚羧酸減水劑摻量小，使得部分渣土泥漿“卡片屋”結構之間被聚羧酸減水劑分子所鏈接，從而導致渣土泥漿的“卡片屋”結構更加穩定［21，24］，其表觀黏度更大，同時在“卡片屋”結構被破壞后的渣土泥漿中，固體顆粒間容易受到聚羧酸減水劑的吸附鏈接作用，導致其表觀黏度隨著聚羧酸減水劑摻量的增加而增大［17，28］；當剪切速率足夠高時，聚羧酸減水劑分子的鏈接作用斷裂，吸附在顆粒表面產生排斥力，加劇固體的布朗擴散運動，分散顆粒以釋放更多自由水，此時渣土泥漿的表觀黏度快速下降，且隨著聚羧酸減水劑摻量的增加下降速率加快；當聚羧酸減水劑摻量為0.3% 時，WS50-SP0.3%的流變曲線僅有下降穩定階段，表明聚羧酸減水劑產生了足夠的排斥力，破壞了原有的“卡片屋”結構［22，24］，直接釋放了大量的自由水，并大幅度提升了渣土泥漿的流變性能.

圖6 不同聚羧酸減水劑摻量對WS50 表觀黏度的影響Fig.6 Effects of different contents of SP on apparent viscosity of WS50

不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 流變性能見圖7.由圖7可見：在相同剪切速率下，隨著靜置時間的增加，不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 剪切應力均增大；不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 流變曲線形狀不同，WS50-SP0.1%和WS50-SP0.2%的流變曲線在剪切速率40 s-1內均表現為剪切變稠，40～60 s-1表現為剪切變稀；WS50-SP0.3%在剪切速率15 s-1內表現為剪切變稠，在15～60 s-1表現為剪切變稀.因此，選擇WS50-SP0.1%和WS50-SP0.2%在單一流變剪切變稠階段下的數據，以及WS50-SP0.3%在相同剪切速率下的數據代入赫切爾-巴爾克流變模型中，所得擬合曲線的擬合優度R2均在0.96以上.由此可見，赫切爾-巴爾克流變模型能夠有效反映摻入聚羧酸減水劑渣土泥漿的流變行為.

圖7 不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 流變性能Fig.7 Rheological properties of WS50 with different contents of SP

由圖7 中的擬合曲線可以得到不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 屈服應力和塑性黏度，結果見圖8.由圖8 可見：在相同靜置時間下，隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，WS50 的塑性黏度先增大后減小，這是由于低聚羧酸減水劑摻量下其對渣土泥漿中的“卡片屋”結構起到鏈接加固的作用，使渣土泥漿的塑性黏度隨聚羧酸減水劑摻量增大而增大，當聚羧酸減水劑摻量達到0.3%時，渣土泥漿的塑性黏度大幅度減小至0.82 Pa·s；渣土泥漿的屈服應力也隨著聚羧酸減水劑摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，與未摻聚羧酸減水劑的WS50相比，WS50-SP0.2%的初始屈服應力提升了近1倍（16.9 Pa），而WS50-SP0.3%的初始屈服應力卻大幅度降低（僅有0.7 Pa），故摻入0.3%聚羧酸減水劑對WS50 流變性能有大幅度的提升；相同聚羧酸減水劑摻量下，渣土泥漿的塑性黏度隨靜置時間的增加而增大，WS50 在t=120 min 內塑性黏度增加了0.47 Pa·s；隨著聚羧酸減水劑摻量的增加，渣土泥漿在t=120 min 內的塑性黏度變化從WS50-SP0.1%的0.57 Pa·s減小至WS50-SP0.3%的0.41 Pa·s.由此可見，摻入聚羧酸減水劑對渣土泥漿的流變性和流變保持性均有大幅度的改善，且WS50 的聚羧酸減水劑適宜摻量為0.3%.

圖8 不同聚羧酸減水劑摻量下的WS50 屈服應力和塑性黏度Fig.8 Yield stress and plastic viscosity of WS50 with different SP contents

2.3 季銨鹽型表面活性劑摻量對渣土泥漿流變性能的影響

不同季銨鹽型表面活性劑摻量對渣土泥漿表觀黏度和初始流變性能的影響見圖9.由圖9 可見，在表觀黏度下降穩定階段（50 s-1以后），渣土泥漿的表觀黏度隨季銨鹽型表面活性劑摻量的增加而增大，且均高于未摻季銨鹽表面活性劑的WS50.季銨鹽型表面活性劑主要是通過犧牲陽離子優先吸附于渣土泥漿顆粒表面上［25］，使得渣土泥漿在一定季銨鹽表面活性劑摻量范圍內，摻量越高吸附效果越好，且其顆粒間的團聚更加穩定，表觀黏度更大.選擇10～40 s-1區間數據代入赫切爾-巴爾克流變模型，得到的流變擬合曲線擬合優度均達到0.999，因此赫切爾-巴爾克流變模型能夠有效反映摻入季銨鹽型表面活性劑的渣土泥漿流變行為.

圖9 不同季銨鹽型表面活性劑摻量對渣土泥漿表觀黏度和初始流變性能的影響Fig.9 Effect of different YZ contents on apparent viscosity and initial rheological properties of waste mud

通過赫切爾-巴爾克流變模型擬合，可得到不同季銨鹽型表面活性劑摻量下的渣土泥漿屈服應力和塑性黏度，結果見圖10.由圖10可見：渣土泥漿的屈服應力隨著季銨鹽型表面活性劑摻量的增大而增大，當其摻量為0.3% 時，渣土泥漿的屈服應力增大了107%，表明季銨鹽型表面活性劑的吸附對渣土泥漿的“卡片屋”結構起到團聚的作用，導致其發生流動所需的屈服應力增大；渣土泥漿的塑性黏度隨著季銨鹽型表面活性劑摻量的增大先增大后減小，當其摻量為0.2%時，渣土泥漿的塑性黏度高達2.84 Pa·s，當摻量達到0.3%時，其塑性黏度下降至2.38 Pa·s，這表明季銨鹽型表面活性劑的摻入使渣土泥漿顆粒間的吸附力更大，維持其流動所需的力更大，但當季銨鹽型表面活性劑摻量過高時，其吸附作用使渣土泥漿的屈服應力增大，同時也會導致“卡片屋”結構在剪切作用力下被破壞后，渣土泥漿內部存在的季銨鹽型表面活性劑分子間的排斥力更大，渣土泥漿維持流動所需的力減小，從而使其塑性黏度減小.

圖10 不同外加劑摻量下的渣土泥漿屈服應力和塑性黏度Fig.10 Yield stress and plastic viscosity of waste mud with different additive contents

當w≤0.2%時，由于外加劑摻量低，其排斥力不足以破壞原有的結構，聚羧酸減水劑和季銨鹽型表面活性劑均對渣土泥漿流變性能起到負面效果，泥漿的屈服應力和塑性黏度均增大.當w=0.3%時，由于季銨鹽型表面活性劑的電荷密度較低、排斥力較小，不足以在渣土泥漿靜止時破壞其“卡片屋”結構，導致泥漿的屈服應力繼續增大，但當渣土泥漿發生流動后，在剪切力的作用下其“卡片屋”結構被破壞，內部顆粒間存在季銨鹽型表面活性劑之間的排斥力，使得維持流動所需的力減小，渣土泥漿塑性黏度減小.聚羧酸減水劑電荷密度大，在渣土泥漿靜止時產生的排斥力足以直接破壞其“卡片屋”結構［21-22］，導致渣土泥漿屈服應力大幅度減小，并且在渣土泥漿維持流動中提供顆粒間排斥力，大幅度減小其塑性黏度，有效改善渣土泥漿的流變性能.由此可見，電荷密度更高、排斥力更大的聚羧酸減水劑對渣土泥漿流變性能的改善效果優于吸附性更好的季銨鹽型表面活性劑.

2.4 外加劑對渣土泥漿流變性能作用機理分析

內部自由水是影響渣土泥漿流變性能的關鍵.在不改變含水率的情況下，調節渣土泥漿流變性能只能通過增大顆粒間距，同時釋放被黏土包裹的自由水.外加劑分子與黏土顆粒的作用機理主要是黏土顆粒吸附和分子間的排斥作用，其分子結構示意圖見圖11.由圖11 可知，聚羧酸減水劑具有更長的側鏈及更大的電荷密度，而季銨鹽型表面活性劑具有更強的吸附性［18］.2 種外加劑的吸附方式相同且均為表面吸附和層間吸附（見圖12），都存在外加劑分子間的排斥力和黏土顆粒對外加劑的吸附力，2 種分子作用力的大小共同決定了外加劑對渣土泥漿流變性能的影響.渣土泥漿對同種外加劑的吸附存在飽和性［20］，故在其對外加劑吸附量未達到飽和時，外加劑主要起吸附黏土顆粒的作用（見圖13（a））.外加劑通過層間吸附和顆粒表面吸附，不僅鏈接了顆粒原有的“卡片屋”結構，并且加劇了顆粒間的團聚［24-25］，從而包裹更多的自由水使得渣土泥漿流態大幅度下降.當外加劑摻量高出渣土泥漿對外加劑的飽和吸附量時，外加劑分子間排斥力起作用（見圖13（b）），其顆粒間排斥力足夠大，直接破壞了顆粒結構，從而釋放了被包裹的自由水，使得渣土泥漿流態大幅度提升.其中，具有高電荷密度的聚羧酸減水劑靜電排斥力更大，使渣土泥漿靜止狀態下的“卡片屋”結構被破壞［22］，從而釋放大量自由水，大幅度改善了渣土泥漿流變性能；季銨鹽型表面活性劑雖然具有更好的吸附性，但靜電排斥力小，未能直接破壞渣土泥漿的“卡片屋”結構.故而，聚羧酸減水劑對渣土泥漿流變性能的改善效果更好.

圖11 外加劑的分子結構示意圖Fig.11 Molecular structure diagrams of additives

圖12 外加劑與黏土的層間吸附作用Fig.12 Interlayer absorption between additive and clay

圖13 不同摻量下外加劑對黏土的作用示意圖Fig.13 Schematic diagrams of the effect of additives on clay under different contents

3 結論

（1）隨著建筑渣土泥漿含水率從40% 增加至60%，建筑渣土泥漿的表觀黏度、屈服應力、塑性黏度均減小，但其流變經時損失減小，流變保持性更好；建筑渣土泥漿的屈服應力和塑性黏度均隨著靜置時間的增加而增大.

（2）建筑渣土泥漿的表觀黏度、屈服應力、塑性黏度和流變經時損失隨聚羧酸減水劑摻量增加先增大后減小；隨著季銨鹽型表面活性劑摻量的增加，渣土泥漿屈服應力增大，表觀黏度和塑性黏度先增大后減小；當聚羧酸減水劑摻量達到0.3%時，建筑渣土泥漿塑性黏度減小至0.82 Pa·s，其效果明顯優于相同摻量下的季銨鹽型表面活性劑（2.38 Pa·s）.

（3）在外加劑摻量較低的情況下，外加劑主要起到吸附黏土、團聚泥漿的作用，使建筑渣土泥漿屈服應力、塑性黏度和表觀黏度均增大；在外加劑摻量較高的情況下，外加劑主要起靜電排斥作用，使建筑渣土泥漿中的顆粒結構破壞，減小其塑性黏度和表觀黏度；具有更高電荷密度的聚羧酸減水劑靜電排斥力更大，對建筑渣土泥漿的流變性能改善效果更好.