水下不分散混凝土拌和物漿體流變性能試驗研究

摘 要：通過試驗研究了ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑和聚羧酸高性能減水劑摻量對水下不分散混凝土拌和物漿體的流動度和流變性能的影響，分析了漿體流動度與屈服應力的關系。結果表明：小摻量絮凝劑可以增大漿體的流動度，減小其屈服應力、黏稠度；大摻量絮凝劑則顯著增大漿體的屈服應力和黏稠度。減水劑的加入可以小幅增大漿體流動度，減小漿體屈服應力和黏稠度，但其摻量較大時對漿體屈服應力、黏稠度的影響減弱。絮凝劑摻量較小時漿體表現為剪切變稠、較大時漿體表現為剪切變稀，減水劑的加入對漿體剪切變稀現象影響不顯著。流動度與屈服應力為線性負相關關系。

關鍵詞：水下不分散混凝土；漿體；絮凝劑；減水劑；流動度；流變性能

中圖分類號：ＴＶ４３１；ＴＵ５２８ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．０２５

引用格式：李曉克，王琳，耿海彬，等．水下不分散混凝土拌和物漿體流變性能試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：１５７－１６０．

隨著大型地下或水下工程的建設，水下不分散混凝土（ＵＮＣ）被廣泛應用于隧洞、橋梁、大壩等工程領域［１］ 。ＵＮＣ 是兼具高抗水分散性和高流動性的混凝土［２］ ，其拌和物由液相漿體和固相顆粒體組成［３］ 。漿體的流變性能可以反映拌和物的流動性和黏稠度［４－６］ ，因此ＵＮＣ 的流變性能本質上是漿體的流變性能。用來描述漿體流變性能的模型主要有Ｂｉｎｇｈａｍ 模型和Ｈｅｒｓｃｈｅｌ－Ｂｕｌｋｌｅｙ（Ｈ－Ｂ）模型［７］ 。目前，ＵＮＣ 常用外加劑有減水劑和絮凝劑［８］ 。溫金保等［９］ 研究了不同聚羧酸減水劑摻量（０．３２％、０．３７％和０．４３％）對水泥漿體流動度和塑性黏度的影響，并采用Ｈ－Ｂ 模型描述其流變行為，指出隨著減水劑摻量的增大，漿體的流動度增大，而塑性黏度呈逐漸減小的趨勢。張朝陽等［８］ 研究了丙烯酸類絮凝劑對漿體流變性能的影響，并采用Ｂｉｎｇｈａｍ 模型進行擬合后發現，小摻量絮凝劑通過橋接作用可以增大漿體的屈服應力，大摻量絮凝劑則起到大幅增大塑性黏度的作用。謝科文［１０］ 研究了ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑摻量對ＵＮＣ 工作性能的影響，指出混凝土拌和物的黏度和擴展度均隨著絮凝劑摻量的增大而增大，且當絮凝劑摻量為２．５％時最優。

采用ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑制備ＵＮＣ 的抗水分散性能、工作性能和力學性能已有相關研究［１１－１２］ ，但目前缺乏ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑對漿體流變性能影響的研究。筆者通過單摻ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑及復摻ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑和聚羧酸高性能減水劑試驗，分析了其對漿體流變性能的影響及機理。

１ 材料與方法

１．１ 原材料

ｋｇ／ ｍ３，細度為３５６ ｍ２ ／ ｋｇ，標準稠度用水量為２７．２％，初凝和終凝時間分別為２２３ ｍｉｎ 和２７３ ｍｉｎ；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為２ ２５０ ｋｇ／ ｍ３，需水量比為９８．３％，活性指數為７６．１％；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的聚羧酸高性能減水劑，減水率為２５．０％；絮凝劑采用中國石油集團工程技術研究院研發的白色粉末狀ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑；拌和水為鄭州市自來水。

１．２ 試驗設計及配合比

本研究將未摻加絮凝劑和減水劑的試驗漿體（編號Ｕ０）作為對比組，設計６ 組絮凝劑摻量變化的試驗和３ 組絮凝劑摻量為２．０％、減水劑摻量變化的試驗。以前期的ＵＮＣ 配合比為依據［１２］ ，設計水膠比為０．４０，絮凝劑和減水劑均采用外摻法，不計入總體積，絮凝劑和減水劑摻量均為其用量與膠凝材料總量的比值，試驗漿體的配合比見表１。

１．３ 試驗方法

按照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》（ＧＢ／ Ｔ８０７７—２０２３）［１３］ 中規定的方法開展漿體的流動度測試試驗。采用Ｂｒｏｏｋｆｉｅｌｄ ＲＳＴ－ＳＳＴ 流變儀進行漿體流變性能測試試驗，轉子型號為ＶＴ－４０－２０。流變性能測試預剪切階段的剪切速率在３０ ｓ 內從０ 勻速增至５０ ｓ－１，恒定剪切６０ ｓ 后再勻速減至０，并靜置６０ ｓ；正式剪切階段的剪切速率則在１００ ｓ 內從０ 線性增至１００ ｓ－１（上升段），隨后再線性減至０（下降段）。根據流變儀測試數據可以繪制剪切應力—剪切速率曲線（流變曲線）。

２ 試驗結果與分析

２．１ 流動度

圖１ 展示了各組試驗漿體的流動情況。

漿體流動度測試結果見圖２。由圖２（ａ）可知：對比組的漿體流動度最小，僅為８５ ｍｍ；絮凝劑摻量為０．５％時，漿體流動度大幅度增至２１０ ｍｍ，為所有試驗組中最大值；絮凝劑摻量從０．５％增至１．５％時，漿體流動度變化較小，整體上保持了較大的流動度；當絮凝劑摻量超過１．５％后，漿體流動度大幅度減小；絮凝劑摻量為３．０％時，漿體流動度減小至１４０ ｍｍ，但較對比組仍然增大了６４．７％。由圖２（ｂ）可知：絮凝劑摻量為２．０％、減水劑摻量從０％增至１．０％時，漿體流動度增至２００ ｍｍ，之后隨減水劑摻量增大基本保持不變。

２．２ 流變性能

不同絮凝劑和減水劑摻量對應漿體的流變曲線見圖３。可以看出：剪切應力隨著剪切速率的增大而增大；當絮凝劑摻量增大時，剪切應力明顯增大；當減水劑摻量增大時，剪切應力減小，但減水劑超過０．５％后，剪切應力變化較小。漿體的流變曲線呈冪律式規律，符合式（１）表達的Ｈ－Ｂ 模型變化規律。

τ ＝τ０ ＋ｋγｎ （１）

式中：τ 為剪切應力，γ 為剪切速率，τ０ 為屈服應力，ｋ為稠度因子，ｎ 為冪律指數（ｎ＜１ 表示剪切變稀，ｎ＞１表示剪切增稠，ｎ ＝１ 表示標準Ｂｉｎｇｈａｍ 線性模型）。

采用式（１） 對流變曲線下降段試驗結果進行擬合，結果見表２。通過計算確定系數Ｒ２ 可知，按式（１）擬合的精度較高。

根據表２ 擬合結果，分析不同絮凝劑和減水劑摻量對屈服應力、稠度因子、冪律指數的影響。

１）屈服應力。隨著絮凝劑摻量的增大，屈服應力呈現先減小后增大的變化規律；絮凝劑摻量為１．０％時，屈服應力最小，為４．５ Ｐａ，較對比組減小了８０．３％；絮凝劑摻量為３．０％時，屈服應力最大，為７８．７ Ｐａ，較對比組增大了２４５．２％。可見，小摻量絮凝劑可以減小漿體的屈服應力，而大摻量絮凝劑則起到顯著增大屈服應力的作用。隨著減水劑摻量的增大，屈服應力整體上呈減小趨勢，但減水劑摻量超過０．５％后，屈服應力減小幅度明顯變小。減水劑摻量為１．５％時，屈服應力最小，為１３．９ Ｐａ，說明減水劑的加入可以減小漿體的屈服應力。但漿體中絮凝劑摻量較大時，隨著減水劑摻量的增大，屈服應力減小幅度逐漸變小。

２）稠度因子。稠度因子是反映漿體黏稠度的重要參數之一［１４］ 。稠度因子除絮凝劑摻量為０．５％時略減小外，整體上隨著絮凝劑摻量的增而增大；絮凝劑摻量為３．０％時，稠度因子最大，說明絮凝劑摻量的增大可以有效增大漿體的黏稠度。隨著減水劑摻量的增大，稠度因子整體上呈減小趨勢，當減水劑摻量超過１．０％后，稠度因子變化較小，說明減水劑摻量的增大可以減小漿體的黏稠度，但其摻量較大時對漿體黏稠度的影響減小。

３）冪律指數。冪律指數是Ｈ－Ｂ 流變模型的重要參數之一，可以反映漿體在剪切作用下的變稠或變稀現象。隨著絮凝劑摻量的增大，冪律指數呈現先增大后減小趨勢。對比組冪律指數為０．８３；絮凝劑摻量為０．５％時，冪律指數最大，為１．１２，較對比組增大了３４．９％；絮凝劑摻量為３．０％時，冪律指數為０．６９，較對比組減小了１６．９％。說明對比組漿體表現為剪切變稀，當絮凝劑摻量小于１．０％ 時漿體表現為剪切變稠、超過１．０％時漿體表現為剪切變稀，隨著絮凝劑摻量繼續增大，剪切變稀現象更明顯。減水劑的加入對冪律指數影響不大，說明減水劑的加入對漿體剪切變稀現象影響不大。

２．３ 機理分析

綜上，絮凝劑的加入可以改善漿體的流動性和流變性能，原因是ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑組分中含有高分子聚合物和憎水物質［１５］ ，高分子長鏈互相纏繞橋架，使漿體產生絮凝作用，憎水基團的加入使水泥顆粒具有表面活性，產生減水潤滑作用。ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑摻量較小時，減水效果大于絮凝效果，從而增大漿體流動度，減小屈服應力和黏稠度。絮凝劑摻量較大時，以絮凝劑中高分子長鏈提供的絮凝作用為主導，漿體的流動度減小，屈服應力增大，黏稠度相應增大。

在摻加絮凝劑條件下，少量減水劑的加入使漿體流動度小幅增大，屈服應力和黏稠度減小，減水劑摻量增大，對漿體流動度增大、屈服應力和黏稠度減小的效果減弱。原因在于絮凝劑摻量較大時，絮凝劑中高分子長鏈的橋架作用使漿體相對穩定，減弱了減水劑提供的靜電斥力和空間位阻作用［１６］ ，因此對漿體流動性和流變性能的影響較小。

２．４ 流動度與屈服應力的關系

結合漿體流動度及屈服應力的試驗結果，擬合得到流動度與屈服應力的關系，見圖４，擬合公式為

Ｓ ＝２１３．１３－０．８８τ０ （２）

式中：Ｓ 為流動度。

計算得到Ｒ２為０．９１９，式（２）擬合精度較高。由圖４ 可見，流動度與屈服應力為線性負相關關系。

３ 結論

本文研究了單摻ＵＷＢ －Ⅱ型絮凝劑以及復摻ＵＷＢ－Ⅱ型絮凝劑和減水劑對漿體的流動度、流變性能的影響和作用機理，結論如下：

１）絮凝劑摻量為０．５％時漿體流動度最大，絮凝劑摻量為３．０％時漿體流動度最小，但較對比組仍然增大了６４．７％。絮凝劑摻量為２．０％、減水劑摻量從０％增至１．０％時，漿體流動度增至２００ ｍｍ，之后隨減水劑摻量增大基本保持不變。

２）隨著絮凝劑摻量的增大，漿體的屈服應力先減小后增大，絮凝劑摻量為１．０％時屈服應力最小，絮凝劑摻量為３．０％時屈服應力最大。稠度因子除絮凝劑摻量為０．５％時略減小外，整體上隨著絮凝劑摻量的增而增大；絮凝劑摻量為３．０％時稠度因子最大，說明絮凝劑摻量的增大可以有效增大漿體的黏稠度。減水劑的加入可以減小漿體屈服應力和黏稠度，但其摻量較大時對漿體屈服應力、黏稠度的影響減小。絮凝劑摻量小于１．０％時漿體表現為剪切變稠、超過１．０％時漿體表現為剪切變稀，隨著絮凝劑摻量繼續增大，剪切變稀現象更明顯。減水劑的加入對漿體剪切變稀現象影響不大。

３）漿體的流動度隨著屈服應力的增大呈線性減小趨勢。

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【責任編輯 張華巖】

基金項目：國家自然科學基金青年項目（５２１０８２１２）