自密实混凝土用普适型粘度改性材料的研究

自密实混凝土用普适型粘度改性材料的研究

唐洁1，彭建伟1，元强2，吴成浩1，陈儀涛1，姚佳楠1，温建峰1

1 安徽中铁工程材料科技有限公司，合肥230023  2 高速铁路建造技术国家工程研究中心，长沙410075

摘要：通过研究多种有机增粘剂和无机增粘剂对水泥净浆性能的影响，优选出兼具保水性和触变性的气相二氧化硅、具有保水性的淀粉醚和强触变剂聚合硫酸铁，配制成了有机-无机复合增粘剂，再加入占比95%的S95矿粉作为分散剂，得到自密实混凝土用普适型粘度改性材料。工程实践表明，采用普适型粘度改性材料配制的自密实混凝土的工作性能和力学性能得到改善，灌注的自密实混凝土板面平整且揭板后无起皮，质量优良。

关键词：自密实混凝土；粘度改性材料；增粘剂；触变性；气泡稳定性

中图分类号：TU 213.2+44   文献标志码：A    文章编号：

随着中国高铁的快速发展，无砟轨道开始广泛应用，我国为此研发出了具有完全自主知识产权的新型CRTSⅢ板式无砟轨道结构。CRTSⅢ型板式无砟轨道结构主要由底座板、自密实混凝土填充层和轨道板组成[1]。自密实混凝土被用作充填层，起到一个承上启下的作用，其性能的好坏直接影响整个CRTSⅢ型板式无砟轨道结构的稳定性和耐久性。

图1 CRTSⅢ板式无砟轨道结构图[1].

由于自密实混凝土的超高流动性、低屈服应力、低粘度和高含气量[2]，其对不同厂家的减水剂、水泥、矿物掺合料和砂石等原材料的质量波动敏感，经常出现新拌混凝土流动性差、离析、含气量偏高、气泡不稳定和灌注的充填层表面大气泡多、松软发泡层等质量问题[3]。通过掺入粘度改性材料对解决减水剂与水泥的适应性以及砂的级配差的问题能起到一定作用。目前市面上的自密实混凝土用粘度改性材料多为有机-无机复合的增粘剂。有机增粘剂在混凝土体系增粘的同时容易引入额外的气泡，造成整个自密实混凝土含气量超标，强度下降。而无机增粘剂的增粘机理只是吸附一定量的水进而增加水泥浆的粘度，基本不改变减水剂等表面活性剂的起泡性能，因而与减水剂的适应性好，对混凝土的含气量影响较小。

因此，本文考虑采用一种引气能力低、与减水剂适应性好、增粘显著、生产方便的无机增粘剂作为粘度改性材料的主要增粘成分，再选择合适的有机增粘剂作为稳泡成分，通过研究增粘剂对水泥净浆的保水性、气泡稳定性、触变性和流动性的影响，用于解决目前自密实混凝土容易出现的含气量高、气泡不稳定等难题[4-5]。

1 试验方法与原材料

1.1 原材料

1.1.1水泥

采用长丰海螺水泥厂生产的P.O 42.5级普通硅酸盐水泥。

表1 硅酸盐水泥物理化学指标

1.1.2 矿物掺合料

采用安徽池州电厂生产的F类Ⅱ级粉煤灰；成都卓越四方环境科技有限公司生产的硅灰，SiO2含量≥95%；灵寿县星州矿产品加工厂生产的S95矿粉。

表2 粉煤灰物理化学指标

表3 硅灰物理化学指标

表4矿粉物理化学指标

1.1.3高性能减水剂

使用的减水剂为安徽中铁工程材料科技有限公司生产的高减水型聚羧酸减水剂和保坍型聚羧酸减水剂，根据坍落度和坍落度经时损失的实际情况调节二者的相对比例。

1.1.4增粘剂

有机增粘剂：由玉米改性得到的淀粉醚、2000粘度的羧甲基纤维素（CMC）、聚合硫酸铁、100万分子量的黄原胶。

无机增粘剂：硅灰、气相二氧化硅、钠基膨润土、偏高岭土。

1.1.5 膨胀剂

采用安徽巢湖万金山建材有限公司出产的自密实混凝土专用膨胀剂。

1.1.6 拌合水

采用合肥市市政管网统一供应的自来水。

1．2试验方法

1.2.1 水泥净浆配合比设计

水泥净浆试验的水胶比为0.30，减水剂掺量为胶凝材料的1%。减水剂使用高减水型聚羧酸减水剂和高保坍型聚羧酸减水剂按照固含量比8:8复配而成，减水率为28%。

1.2.2 水泥净浆泌水率测试

参照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080-2016）中的泌水试验，取搅拌均匀的浆体200mL置于250ml量筒内，静置60min后，用吸管吸出表面泌出的液体，泌水率(%)=V/200。

1.2.3气泡稳定性测试试验

静态气泡稳定性：测试自密实混凝土出机含气量V0，静止30min后再测试含气量V30，静态气泡稳定性=(V0- V30)/V0；

动态气泡稳定性：测试自密实混凝土出机含气量V

0，再将混凝土返回搅拌机以剪切率为8s-1搅拌混凝土30 min，再测试含气量V30s，动态气泡稳定性=(V0- V30s)/V0。

1.2.4 水泥净浆触变性能测试

固定水泥量1000g，用水量300g，减水剂量10g，初始净浆扩展度在290mm左右，掺加不同的增粘剂直到净浆扩展度达到260mm，静置10min后测试净浆的扩展度k1，然后迅速将剩余净浆在搅拌机上慢搅30s后再测量一次扩展度k2，以差值k（k=k2-k1）的大小来表征浆体的触变能力。k值越大，说明浆体的在静置状态下流动性损失快，在有剪切作用下，流动性又能迅速恢复。

1.2.5 水泥净浆的粘度测试

使用流动锥测定水泥净浆的流动性。流锥流动度试验应符合下列规定：流锥流动度测试仪的尺寸应符合现行行业标准《铁道后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》TB/T 3192的规定。流动锥的校验：1725mL±5mL水流出的时间应为8.0s±0.2s。测定时，应将漏斗调整水平，封闭底口，将搅拌均匀的浆体均匀倾人漏斗内，直至表面触及点测规下端（1725mL±5mI浆体）。开启底口，使浆体自由流出，以浆体完全流完时的流出时间（s）来表征水泥净浆的粘度。

1.2.6 混凝土配合比设计

为了测试各种添加剂对混凝土的性能影响，设计的混凝土配合比与现场施工配合比一致，混凝土基准配合比如表5所示。

表5  自密实混凝土配合比（Kg/m3）

1.2.7 混凝土力学性能试验方法

参照《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T 50081-2002），测试混凝土的3d、28d抗压强度试验。

2 结果与讨论

本试验通过研究四种有机增粘剂（淀粉醚、CMC、聚合硫酸铁、黄原胶），以及四种无机增粘材料（硅灰、膨润土、气相二氧化硅、偏高岭土）对水泥净浆的性能的影响，筛选出粘度改性材料的增粘组分。

2.1增粘剂对水泥净浆保水性能的影响

图1为四种有机增粘剂在不同掺量下的水泥净浆的泌水率。由图1可知，未加增粘剂时，水泥浆体的常压泌水率达到12.2%，加入增粘剂后浆体的泌水率大幅度降低。在有机增粘剂掺量0.01%时，掺加CMC的浆体泌水率最少，保水率最好；而掺加聚合硫酸铁的浆体泌水率最高，保水率最差。在掺量为0.02%时，CMC、淀粉醚和黄原胶的泌水率都降到0，聚合硫酸铁的浆体泌水率降到1.8%，远高于其他增粘剂。在掺量达到0.03%以上时，四种水泥浆均无泌水情况[6]。

图1 有机增粘剂对水泥净浆保水性能的影响

图2  无机增粘剂水泥净浆保水性能的影响

图2为四种无机增粘剂在不同掺量下的水泥净浆的泌水率。由图2可以看出，各掺量下膨润土的保水性能都最好，当膨润土的掺量达到0.5%时，砂浆的泌水率只有1.5%。而同等掺量情况下，掺硅灰的水泥浆泌水率却达到了9%。硅灰的保水性能良好，在0.5%的掺量情况下，泌水率只有不到5%。所以硅灰和膨润土均具有一定的保水性能。

2.2增粘剂对水泥净浆气泡稳定性的影响

由于自密实混凝土内部气泡的不稳定，气泡不断逸出，将会造成容重不断增加，因而本研究通过对比水泥净浆的初始容重和30min容重来反映增粘剂对水泥净浆气泡稳定性的影响。

图3  有机增粘剂对水泥净浆初始容重的影响

图4  有机增粘剂对水泥净浆30min容重的影响

a.30min时CMC水泥净浆气泡分布            b.30min时淀粉醚水泥净浆气泡分布

c.30min时聚合硫酸铁水泥净浆气泡分布            d.30min时黄原胶水泥净浆气泡分布

图5  有机增粘剂对水泥净浆30min气泡稳定性的影响

由图3与图4可知，对比有机增粘剂对水泥净浆初始容重和30min容重，随着有机增粘剂掺量的提高，水泥净浆的初始容重逐渐下降，初始含气量相对逐渐上升，聚合硫酸铁和黄原胶对净浆初始含气量影响较小。但是30min时，掺加黄原胶的净浆容重急速下降，成为四组中容重最低的一组。从图5可以看出，30min时黄原胶水泥净浆的气泡逸出于浆体表面，且伴有浮浆，而淀粉醚和聚合硫酸铁的30min水泥净浆表面气泡较少或基本无气泡，且表面无浮浆。所以综合来说聚合硫酸铁和淀粉醚对水泥净浆含气量影响相对较小，且对稳泡性有一定作用[7]。

图6 无机增粘剂对水泥净浆初始容重的影响

图7 无机增粘剂对水泥净浆30min容重的影响

a.气相二氧化硅水泥净浆30min气泡分布       b.膨润土水泥净浆30min气泡分布

c.硅灰水泥净浆30min气泡分布        d.偏高岭土水泥净浆30min气泡分布

图8  无机增粘剂对水泥净浆30min气泡稳定性的影响

从图6和图7中可以看出，气相二氧化硅导致净浆容重逐渐下降，含气量逐渐升高，这是由于气相二氧化硅比表面过大，在搅拌过程容易裹挟较小的气泡在气相二氧化硅颗粒周围，造成体系的含气量增高。其余三种无机增粘剂几乎没有对容重产生影响，而且无机增粘剂对水泥净浆30min容重的影响趋势与初始差别不大。从图8可以看出，30min时气相二氧化硅水泥净浆的表面包裹有许多细小气泡，但是无炸泡现象，硅灰和膨润土30min的水泥净浆表面基本无气泡且无浮浆，而偏高岭土30min的水泥净浆表面有明显炸泡的痕迹。综上说明硅灰和膨润土的引气能力低，且具有较好的稳泡性能；气相二氧化硅的引气能力强，但具有较好的稳泡性能；偏高岭土的引气能力和稳泡性都较差。

2.3增粘剂对水泥净浆触变性能的影响

自密实混凝土灌注的良好状态表现是板面的水泥浆在剪切作用消失时能迅速的具备一定的触变性，防止在剪切过程中混凝土内部的小气泡逸散出去，避免混凝土板表观状态差。而在实际施工中，自密实混凝土灌注口周围由于灌注的剪切变稀，混凝土表面常会浮出一层水泥砂浆甚至水泥净浆。

本试验通过考察初始扩展度达到260mm的净浆，静置10min后的扩展度k1，以及剩余净浆慢搅30s后的扩展度k2，以差值k（k=k2-k1）的大小来表征浆体的触变能力。

表6不同增粘剂的k值大小变化

由表6可知，聚合硫酸铁的k值最大，证明掺加了聚合硫酸铁的水泥净浆在没有扰动的情况下可以迅速具有塑形能力，而在有扰动的情况可以迅速变稀，不会影响灌注。无机增粘剂中的膨润土和硅灰也具有一定的触变性能。由于自密实混凝土需要具备良好的触变性，可以在粘度改性材料中复配一些触变能力强的聚合硫酸铁，以避免由于剪切作用产生的气泡上浮到自密实混凝土顶部。

2.4增粘剂对水泥净浆粘度的影响

本试验通过观测水泥净浆初始流动度变化情况来考察增粘剂对水泥净浆粘度的影响。粘度是指一定体积的净浆流出漏斗的时间，流出时间越长，净浆粘度越高[8]。

图9 有机增粘剂对水泥净浆流动度的影响

从图9可以看出，聚合硫酸铁在0.01%掺量下的水泥净浆粘度最大，由于聚合硫酸铁具有极强的触变性，在试验中可以发现，当掺量增加到0.02%时，聚合硫酸铁试验组中的水泥浆不能完全从流动锥中流出，但是当给流动锥一个扰动时，浆体又可以继续流出了，这说明浆体流不出并不是因为损失。其他三种有机增粘剂中，CMC的增粘效果较好，而淀粉醚是增粘效果较差，但0.02%掺量时粘度仍然接近30s，流动状态较好，同时根据之前的泌水率试验，0.02%掺量的淀粉醚也可以避免浆体泌水[9]。

图10 无机增粘剂对水泥净浆流动度的影响

由图10可知，硅灰几乎没有增粘效果，而其他三种无机增粘剂均存在一定的增粘效果，其中增粘效果最好的是膨润土。随着膨润土掺量的提高，其水泥净浆粘度几乎呈线性增加，即使在0.1%的低掺量时，流动度已经接近35s。气相二氧化硅的增粘效果适中，掺量0.2%时的水泥净浆粘度与掺量0.02%的淀粉醚的水泥净浆粘度接近。

其次，由触变性试验结果可知，气相二氧化硅具备一定的触变性，由于高掺量的聚合硫酸铁会影响水泥浆的粘度，所以气相二氧化硅可以作为聚合硫酸铁触变性能的补充。

2.5粘度改性材料配方的确定

根据上述试验结果，以增粘剂作为粘度改性材料的核心组分，辅以分散剂，制得自密实混凝土用普适型粘度改性材料。首先选用0.2%的气相二氧化硅作为基本增粘组分，虽然气相二氧化硅的加入能够保证浆体的粘度充足，但是浆体仍有一定的泌水，因此再添加0.015%的淀粉醚来控制浆体基本无泌水。触变性也是自密实混凝土浆体必须具备的性能，由于强触变剂聚合硫酸铁对混凝土流动度影响较大，所以以低掺量0.005%的聚合硫酸铁作为主触变剂，同时用于增粘的硅灰也具有一定的触变性，可以作为辅触变剂使用。

由于增粘组分占胶材的比例过低，不利于在搅拌过程中均匀分散，因而需要加入一种合适的分散剂。采用粉煤灰、矿粉、硅灰、石灰石粉等常用分散剂进行混凝土试验，每组试验控制相同量的增粘组分，将不同的分散剂掺入自密实混凝土中并考察其力学性能。

表7 不同分散剂对自密实混凝土的力学性能的影响

从表7可以看出，掺入Ⅱ级粉煤灰、S95矿粉和硅灰的力学性能相近，考虑到大掺量硅灰会引起混凝土含气量过高，所以粘度改性材料的分散组分采用S95矿粉。综上所述，确定粘度改性材料的基本配方如下表所示。实际使用时，可根据施工现场水泥、砂石料、减水剂等的情况调整配方。

表8 粘度改性材料的基本配方（质量比例）

根据表1设计的现场自密实混凝土配合比验证粘度改性材料对自密实混凝土性能的影响，观察混凝土和易性，并检测相关指标。

表9 自密实混凝土的各项性能指标结果

采用本研究的粘度改性材料制备的自密实混凝土：出机状态良好，无离析泌水、表面炸泡现象；在放置过程，未发现骨料下沉现象；初始坍落扩展度670mm，60min坍落扩展度650mm，扩展度损失不大，满足施工的工作性要求；含气量较低、稳定气泡的能力好；3d和28d抗压强度比均符合规范要求。

                          a.掺本研究的粘度改性材料                 b.掺其他品牌粘度改性材料

图11 掺本研究的粘度改性材料和其他品牌粘度改性材料的混凝土板面情况对比

掺本研究的粘度改性材料和其他品牌粘度改性材料的混凝土揭板后板面情况如图11所示，掺本研究的粘度改性材料混凝土整体板面比较光整，有极少小气泡，无松软发泡层，揭板后无起皮的现象；掺其他品牌粘度改性材料混凝土板面四周有气泡，且有明显松软发泡层。经过对比，本研究所生产的粘度改性材料相较于其他品牌粘改剂，具有更强的普适型，同时性能更加优良[10]。

3 结论

（1）有机增粘剂CMC、淀粉醚和黄原胶在低掺量时的水泥净浆基本无泌水，均具有良好的保水性；无机增粘剂膨润土、硅灰和气相二氧化硅可降低的水泥净浆泌水率，均具有一定的保水性能。

（2）聚合硫酸铁和黄原胶对净浆初始含气量影响较小，30min时，黄原胶的净浆容重降至最低，稳泡性能差，而淀粉醚和聚合硫酸铁的30min水泥净浆表面状态较好，稳泡性能好；无机增粘剂中气相二氧化硅的引气能力强，同时也具有较好的稳泡性，硅灰和膨润土的引气能力低、稳泡性能好，而偏高岭土的引气能力和稳泡性都较差。

（3）聚合硫酸铁的触变性最强，在粘度改性材料中起主要触变作用，无机增粘剂中的膨润土和气相二氧化硅也具有一定的触变性能，可作为触变性能的补充。

（4）聚合硫酸铁在低掺量时的水泥净浆流动度最大，增粘效果最好，淀粉醚在较低掺量时的水泥净浆流动度仍然接近30s，也可以起到一定的增粘效果；无机增粘剂中膨润土的增粘效果最好，低掺量时的水泥净浆流动度已接近35s，气相二氧化硅在较低掺量的增粘效果与淀粉醚相当。

（5）通过以上研究，以兼具保水性和触变性的气相二氧化硅、具有良好保水性的淀粉醚和强触变剂聚合硫酸铁配制而成了有机-无机复合增粘剂，再辅以占比95%的S95矿粉作为分散剂，得到自密实混凝土用普适型粘度改性材料。

（6）采用普适型粘度改性材料配制的自密实混凝土出机状态良好，无离析泌水、表面炸泡现象；在放置过程，未发现骨料下沉现象；初始和60min坍落扩展度均满足施工的工作性要求；含气量较低、稳定气泡的能力好；早期和后期强度均符合规范要求。混凝土板面光整，揭板后无起皮现象。

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