聚羧酸減水劑與莫桑比克馬普托大橋大吸水率粗骨料材料適
- 分類：公司動態
- 發布時間：2018-01-26 13:48
聚羧酸減水劑與莫桑比克馬普托大橋大吸水率粗骨料材料適
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莫桑比克馬普托(Maputo)大橋，位于莫桑比克首都馬普托市向南去往南非與莫桑比克南部卡薩通商(Casa Commercial)邊界口岸的干線公路上，路線主線全長約114 公里。其中馬普托大橋由南引橋、主橋、北引橋組成，主橋為懸索橋方案，主橋跨徑 680米，目前為非洲跨徑最大的懸索橋。
馬普托大橋所用的膠凝材料和細骨料選材可以滿足國內跨海大橋混凝土的標準要求，但因工業嚴重落后及特殊的地質構造環境，優質粗骨料料源非常有限，可滿足國標要求的粗骨料價高且難以供應，無法滿足現場使用?，F今，整個非洲大陸常見的粗骨料可滿足國標GB/T 14685-2011《建筑用卵石、碎石》中級配、壓碎值等指標，但吸水率通常在2-5%之間，不符合國標要求的小于2%的要求。
本文將研究大吸水粗骨料對砂漿流動性和流變性的影響，并分析該類骨料如何影響聚羧酸減水劑的工作性能，為了馬普托大橋的混凝土配合比設計提供依據。
1 實驗部分
1.1試驗原材料
1）膠凝材料。水泥：采用馬托拉（Matola）42.5N水泥，標準稠度用水量為28.7%，初凝時間128min，終凝時間為200min，28d抗折強度為8.4Mpa，28d抗壓強度為49.3 Mpa，具體性能指標見表1；粉煤灰：采用南非ULULA型Ι級粉煤灰，燒失量為2.08%，需水量比90.4，細度7.4%。
1.2試驗方法
1）水泥砂漿流動度測試：砂漿配比：粉料：標準砂：水：減水劑=600：1350：204：0.15%(折固)。依據GB50119-2013《混凝土外加劑應用技術規范》進行。
采用德國Schleibinger 公司生產的Viskomat NT砂漿流變儀。
將待測砂漿置于測試的筒體中，按圖2加載過程進行測試，即開始以0.2 rev/s 的轉速加載25s，然后停25s，緊接著在100s內使轉速從0勻速增至1.0 rev/s，再在100s內勻速降至0。
3)吸附實驗
實驗方法：本實驗采用總有機碳分析儀TOC來測定聚羧酸減水劑在水泥顆粒的吸附量。TOC的工作原理：以鈷（Co）作觸媒，檢測碳化物在高溫下燃燒產生的CO2濃度。根據聚羧酸減水劑分子式中的碳含量，換算成聚羧酸減水劑的TOC含量，最后根據標準方程，計算出聚羧酸減水劑的濃度。
標準方程的建立：首先測定已知濃度的聚羧酸減水劑的TOC值，將濃度c與TOC值用線性方程擬合，建立標準方程。
實驗方案：將40ml一定濃度的PCE溶液置入燒杯中，將其放入試驗溫度水浴鍋中，待其溫度達到試驗溫度后將PCE溶液倒入裝有20g水泥或石粉的錐形瓶中。將該錐形瓶放入試驗溫度下的磁力攪拌水浴鍋，密封錐形瓶，開啟攪拌并開始計時，攪拌時間為4min。分別在5min、30min后，取部分混合液進行離心分離（轉速10000rpm，10min），取離心管上清液以備TOC測試。
根據下式計算粉體顆粒對PCE吸附量，
式中，Q：吸附量，mg?g-1；C0：PCE吸附前的濃度，mg?L-1；C：PCE吸附后的濃度（根據標準方程，可以通過TOC值換算），mg?L-1；V：實驗用溶液體積，L；m：實驗用水泥（或石粉）質量，g。
純水泥的砂漿結果表明，流動的損失較大，這和水泥的凝結時間相對應，凝結時間短，水化快；粉煤灰取代20%水泥后，砂漿的流動性明顯有變大，甚至出現泌水，同時流動度的保持有所提高，這表明粉煤灰的需水量小于水泥，同時對保坍有利；在摻入粉煤灰的基礎上，以GX石粉替代2%的水泥，砂漿初始流動度下降，泌水現象有所思改善，同時流動度保持優于只加水泥和粉煤灰的砂漿，究其原因應該是石粉具有較高的吸水率，從而導致初始泌水現象改善，而隨著水泥水化進行，流動度應有些損失，但石粉吸附的水分也隨之釋放出來，從而流動度也得以提高；在摻入粉煤灰的基礎上，以GY石粉替代2%的水泥，砂漿初始流動度下降，泌水現象有所思改善，應也是吸了部分水的原因，但其流動度保持比加入粉煤灰的更差，推測可能是水分釋放速度慢的原因。
2.2 聚羧酸減水劑對膠凝材料及石粉顆粒上的流變性的影響
使用Viskomat PC流變儀，測試新拌砂漿的流變性能，不同轉速下砂漿流體的粘度變化見圖2.
以剪切應力T和轉速N進行分析，根據測試儀器特點回歸分析選擇的方程為T=g+Nh，其中，T為剪應力，N為轉速，g和h分別為與屈服剪應力τ0和塑性粘度η相關的的流變參數。當τ>τ0時，砂漿產生流動；η越小，在相同外力作用下流動越快。各砂漿的流變參數擬合過程如圖3所示，g和h的擬合結果見表6。
從g、h參數的變化也可以看出流動度越大，g、h越小，流動度越小，g、h越大；粉煤灰替代水泥后，同時間下g和h都有明顯變小，側面反映了粉煤灰摻入能夠增大流動性和保坍性能；GX石粉和GY石粉在摻有粉煤灰的體系中對初始流變影響較小，在1h后流動性有較大坍損，同樣對比流變參數可以看出，GY石粉對2h的流動性更大，與之前的擴展度損失對應。
2.3 粗骨料的物理性能
對GX和GY粗骨料進行XRD以及如孔徑分析結果見圖4 、圖5。
從XRD分析結果可以得知，粗骨料GX的主要礦物相為透長石巖，粗骨料GY的主要組成為微斜長石，透長石多出現在酸性的噴出巖里，如流紋巖，而微斜長石在花崗巖比較多，其特征為鏡子的格子雙晶，肉眼難辨。該兩種粗骨料中都含有SiO2，其中GX石中的SiO2晶體形狀較好，而GY石中SiO2的衍射峰偏弱，以無定型態的SiO2為主。
從比兩種骨料中小于75的顆粒（石粉）的表面積結果可以看出，其比表面積已經超過了水泥的比表面積，同時可以測出來平均孔徑分別在20.7nm、14.4nm，結合化學成分分析結果，可以得知這兩種粗骨料吸水率大主要因為其為多孔結構。GX石吸水率大于GY石原因應該在于其所含孔體積大于GY石，從而能吸附更多的水；而GY石的孔徑小于GX石，則會導致所吸附的水釋放出來的速度變慢，表現為經時擴展度會小于GX石。
2.2 聚羧酸減水劑在水泥及石粉顆粒上的吸附行為
30℃環境下，VIVID-500（C）濃度為0.5g/L時，選取一種粗骨料的石粉—GX石粉和水泥進行吸附性能對比，結果見圖6。
從圖中可以看出，所用VIVID-500（C）聚羧酸減水劑在水泥表面的吸附呈現出先增大后趨于平衡的特性，飽和吸附量在為0.72mg/g；而在GX石粉表面的吸附則是呈現出先增大后減小的特性，之后趨于平衡，為先吸附后脫附的特征，與多孔材料的物理吸附類似 。對吸附了減水劑的石粉顆粒進行洗滌，并用紅外光譜進行分析，得到結果如圖4，其中沒有未發現在1640~1820cm-1區域出現聚羧酸減水劑的羰基強峰，這表明吸附在其上的減水劑可以被洗滌掉，進一步佐證了粗骨料中不含對聚羧酸減水劑吸附造成影響的化學物質，僅因多孔結構會對聚羧酸減水劑性能造成影響。
3 結論
1) 砂漿流動度實驗表明，膠凝材料為水泥和粉煤灰時，以大吸水骨料的石粉替代2%的水泥時，砂漿初始流動度會下降，但泌水現象有所改善，GX石粉的流動度保持更佳，GY石粉的流動度保持變差。
2) 砂漿的流變性結果與流動性實驗結果吻合，從塑性粘度變化曲線可以得知所配制的砂漿為剪切變稀流體，與賓漢姆流體符合，且擬合的流變參數越小，流動度越大。
3) 從化學組分分析以及孔結構分析可以得知，兩種粗骨料均為多孔結構，其中GX石粉比表面積大于GY石粉，這也是前者吸水率大于后者的主要原因，而GY石粉的孔徑更小，導致其水分釋放速度更慢，表現為保坍更差。
4) 聚羧酸減水劑與GX石粉和水泥分別進行吸附實驗對比，發現聚羧酸減水劑在石粉上呈現出先吸附后脫附的現象，不同于在水泥上的化學吸附，經紅外分析佐證聚羧酸減水劑在石粉上的吸附為物理吸附。
參考文獻
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