CN103728166A - 模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物及其制备方法，拌合物以重量百分数计包括：去离子水92.41～94.50%，940系列卡波姆树脂粉末0.30～0.35%，中性调节剂三乙醇胺0.20～0.24%，透明玻璃微珠5～7%，以上所述的透明胶砂拌合物模拟水灰比为0.45～0.5、砂灰比为1：1的水泥砂浆流变性能；其制备方法为将卡波姆树脂粉末加至去离子水中，待完全溶解后滴加三乙醇胺，搅拌均匀后静置5～10min，得透明卡波姆凝胶，再加入透明玻璃微珠后搅拌均匀，即可。本发明采用透明胶砂拌合物作为水泥砂浆的模拟介质，成本低廉、制备简单、透明度好、触变性小、流变参数经时变化小并且假塑性特征明显。

Description

模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物及其制备方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物及其制备方法。

背景技术

混凝土拌合物组分十分复杂，其流变力学机理目前尚不清楚，还未形成较完善的力学参数体系，原因是流变混凝土准确的物理模型试验较为困难。由于水泥浆体内部无法可视，导致内部组分运动规律很难获取。传统研究方法难以直观获取介质组分运动参数和建立可靠的物理模型。因此，采用可视化透明介质替代水泥浆体，可以更容易获取浆体组分特别是颗粒介质的运动形态参数，为物理模型试验与验证提供可能。

发明内容

本发明的目的是提供模拟水灰比为0.45～0.5、砂灰比为1：1的水泥砂浆流变性能的卡波姆凝胶介质及其制备方法。

模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物，以重量百分数计包括：去离子水92.41～94.50%，940系列卡波姆树脂粉末0.30～0.35%，中性调节剂三乙醇胺0.20～0.24%，透明玻璃微珠5～7%；以上所述的透明胶砂拌合物模拟水灰比为0.45～0.5、砂灰比为1：1的水泥砂浆流变性能。

上述模拟水泥砂浆流变性能的卡波姆凝胶介质中，所述透明玻璃微珠粒径范围为0.3～0.5mm。

上述水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物的制备方法为，将卡波姆树脂粉末加至去离子水中，待完全溶解后滴加三乙醇胺，搅拌均匀后静置5～10min，得透明卡波姆凝胶，再加入透明玻璃微珠后搅拌均匀，即可。

对于混凝土或砂浆流变性能的研究，可以从微观、细观和宏观等三个不同层面进行。微观层面是研究分子层面，需要考虑分子间作用力；宏观层面是将拌合物看作单一均匀流体，利用计算流体力学方法对其流变性能进行研究；而细观层面则是将拌合物看作砂浆和粗骨料的混合物，粗骨料被看作单粒度刚性球体并被砂浆包裹，其流变特性由水泥砂浆的流变特性和粗骨料的体积含量共同决定。

从细观层面可将水泥砂浆看作水泥浆体和细集料的混合物（Hu Chong，Materials andStructures，1995，28:1-7）。在水泥砂浆搅拌过程中，细骨料对水泥浆体施加剪切作用，混凝土拌合物亦是如此，因此二者在结构组成和流变性能上比较接近。多相混合物均表现出复杂的非牛顿流体特征，其流变曲线也都符合Bingham流体模型，当剪切应力τ大于屈服应力τ₀时，拌合物才能发生流动，表现出塑性流体性质；当τ小于τ₀时，拌合物没有流动性，表现为类固性。

卡波姆又称羧基乙烯共聚物，是制备凝胶剂等半固体制剂的常用高分子辅料，在很低的浓度下即可形成具有生物粘附性的高粘度凝胶。其中，940系列卡波姆树脂是丙烯酸与烯丙基季戊四醇或烯丙基蔗糖交联聚合物的共聚物，可用作助悬剂、稳定剂、乳化剂和水溶性增稠剂，与934和941等其他系列的卡波姆树脂相比具有更为良好的耐剪切性，同时具备成本低、透明度高等特点。卡波姆凝胶具有假塑性的流体特征并且流变性能稳定（GiuliaBonnacucina，Journal of Pharmaceutics，2004，282(115):130）。

本发明采用940系列卡波姆凝胶和透明玻璃微珠混合后的透明胶砂拌合物作为水泥砂浆的模拟介质，成本低廉、制备简单、透明度好、触变性小、流变参数经时变化小并且假塑性特征明显。

附图说明

图1为卡波姆浓度对透明胶砂拌合物流变性能影响曲线，其中1为0.15%浓度卡波姆凝胶的流变曲线，2为0.2%浓度卡波姆凝胶的流变曲线，3为0.3%浓度卡波姆凝胶的流变曲线；

图2为水泥砂浆和透明胶砂拌合物流变曲线对比，其中1为水灰比为0.5、砂灰比1:1的水泥砂浆的流变曲线，2为4%浓度透明玻璃微珠的透明胶砂拌合物流变曲线，3为5%浓度透明玻璃微珠的透明胶砂拌合物流变曲线，4为6%浓度透明玻璃微珠的透明胶砂拌合物流变曲线。

具体实施方式

采用旋转粘度仪考察透明胶砂拌合物的流变性能，发现其流变曲线符合Bingham模型:有明显屈服应力值，与水泥砂浆流变曲线类似。同时发现，透明玻璃微珠的掺量对透明胶砂拌合物的屈服应力和塑性粘度影响较大。试验取0.15%、0.2%、0.3%三种浓度的卡波姆凝胶添加质量分数为5%、粒径范围0.3～0.5mm的透明玻璃微珠，得到卡波姆凝胶浓度对透明胶砂拌合物流变性能影响曲线如图1所示。

实施例1

模拟水灰比为0.5、砂灰比为1:1、水泥为P.O42.5水泥砂浆流变性能的卡波姆凝胶介质，由以下重量百分数的组分组成：去离子水94.5%，卡波姆树脂粉末0.3%，中性调节剂三乙醇胺0.2%，透明玻璃微珠5%。

将卡波姆树脂粉末加至去离子水中，待完全溶解后滴加三乙醇胺，搅拌均匀后静置5～10min，得透明卡波姆凝胶，再加入透明玻璃微珠后搅拌均匀，即可。

1.拟合度检验

选取剩余平方和检验法，这种检验方法能够在曲线趋势相似的情况下凸显参数值之间差异，便于提高精确度，找出拟合程度最高的曲线。根据回归分析原理，曲线回归效果好坏用相关指数R²来衡量。相关指数R²计算公式为：

式中：S_R表示回归平方和；S_T表示总偏差平方和；S_剩表示残差平方和；y_i表示模型值；f(x)表示原型值。

在水泥砂浆的相似拟合中，原型材料水泥砂浆水灰比为0.5，砂灰比为1:1，P.O42.5水泥，选用符合国际标准ISO679的标准砂。作为模拟介质的透明胶砂拌合物中，卡波姆凝胶浓度为0.3%，粒径为0.3～0.5mm的透明玻璃微珠掺量范围在4%～6%之间，得到了与所选水泥砂浆十分相近的流变曲线，如图2所示。

对比水泥砂浆和透明胶砂拌合物流变参数，浓度0.3%卡波姆凝胶掺加质量分数5%的玻璃微珠，其回归曲线与水灰比0.5、砂灰比1：1的水泥砂浆拟合度R²为0.99，远高于其他玻璃微珠掺量的透明胶砂拌合物，表明可以通过调整模拟胶砂拌合物的玻璃微珠掺量减小模拟介质和原材料水泥砂浆流变参数之间的差距，提高曲线整体吻合程度。

2.等同性检验

模拟介质材料等同性验证，假定原材料已建立了由大量数据和经验得到的相关性的统计基准值并已经过证实，水泥浆体作为原材料符合此假定。因此等同性方法应用统计检验对模拟介质进行验证。统计检验方法需要测试模拟介质流变参数使其平均值落在一个可接受范围内，不期望过高或过低的平均值。设所有流变参数的样本总体都服从正态分布，验证模拟介质与原型材料流变性能等同性的统计检验方法采用双侧t检验。相同的试验条件下，对比试验结果差异。则上述两种介质统计检验分析如下：

用X和Y表示原型和模型材料的数据样本，n₁和n₂表示原型和模型样本的数据个数，S₁和S₂表示原型和模型样本数据的标准差。若X和Y服从正态分布且总体方差未知不相等，min{n₁，n₂}<30，则可选用小样本双侧t检验方法。当两种材料试验数据样本无显著差异时，统计检验量t₀表示为：

$t_0=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{X}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}}{\sqrt{\frac{{S_1}^2}{n_1}+\frac{{S_2}^2}{n_2}}}~t\left(v\right)$

其中ν表示t分布的自由度，按ν＝min{n₁，n₂}-1选取。

根据对水灰比为0.5、砂灰比1：1的水泥砂浆和浓度为0.3%、玻璃微珠掺量为5%的卡波姆凝胶拟合度检验结果，两种材料流变参数近似、流变曲线相似。测试数据满足小样本双侧t检验要求，因此可通过材料等同性检验进一步分析判断。

表1原型材料和模拟介质流变参数统计量对比

以屈服应力为例，根据双侧t检验公式可以得到：

$t_0=\frac{\stackrel{\&OverBar;}{X}-\stackrel{\&OverBar;}{Y}}{\sqrt{\frac{{S_1}^2}{n_1}+\frac{{S_2}^2}{n_2}}}=\frac{35.808-36.259}{\sqrt{\frac{{0.6371}^2}{10}+\frac{{0.5713}^2}{10}}}=-1.666$

在显著性水平α＝0.05条件下，对于双侧t检验，可知t_α/2(ν)=t_0.025(10-1)=2.2622。而‐1.666在±2.2622范围内，说明两种材料的试验数据无显著差异，屈服应力等同性检验得到确认，即浓度0.3%卡波姆凝胶与质量分数5%的透明玻璃微珠混合后所得的透明胶砂拌合物的屈服应力满足水灰比0.5、砂灰比1：1的水泥砂浆的流变参数模拟要求。

同理，可对水灰比为0.5、砂灰比为1：1水泥砂浆和透明胶砂拌合物（卡波姆凝胶浓度为0.3%，透明玻璃微珠掺量为5%）的塑性粘度进行小样本双侧t检验，检验结果如表2所示。

表2模拟介质统计量检验结果

结果表明：在显著性水平α＝0.05条件下，作为水泥砂浆模拟介质的透明胶砂拌合物的屈服应力τ₀及塑性粘度μ均获得很好的材料等同性检验，因此采用参数模拟方法，在卡波姆凝胶中增加透明玻璃微珠制成透明胶砂拌合物模拟水泥砂浆是可行的。

表1等各项统计量对比表明，透明胶砂拌合物样本数据的标准差等离散程度表征值均要小于原材料，说明添加玻璃微珠后卡波姆凝胶流变性能仍然较为稳定，也说明模拟介质对于模拟原材料瞬时态流变性能更有利。此外，模拟介质的高透明度足以满足模拟混凝土拌合物的介质中骨料运动可视化的试验要求。

试验表明，模拟介质的触变性远小于原型浆体，其剪切速率先增大后减小时流变曲线的上升段和下降段曲线基本重合，与水泥砂浆随剪切而不断变化的流变性能对比（表3）可以得出，用高耐剪切性的透明胶砂拌合物模拟原材料在某一瞬时的流变性能准确性和数据稳定性要更好。

表3透明胶砂拌合物和水泥砂浆流变曲线上升段和下降段流变参数对比

实施例2

模拟水灰比为0.48、砂灰比为1:1、水泥为P.O42.5水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物，由以下重量百分数的组分组成：去离子水93.46%，卡波姆树脂粉末0.32%，中性调节剂三乙醇胺0.22%，透明玻璃微珠6%。

对比两流变参数屈服应力τ₀和塑性粘度μ，浓度0.32%卡波姆凝胶和6%透明玻璃微珠混合所得的透明胶砂拌合物回归曲线方程与水灰比为0.48、砂灰比为1:1、水泥为P.O42.5水泥砂浆拟合度R²为0.98。

在显著性水平α＝0.05条件下，作为水灰比0.48的水泥砂浆模拟介质的透明胶砂拌合物的屈服应力τ₀及塑性粘度μ均获得很好的材料等同性检验。

实施例3

模拟水灰比为0.45、砂灰比为1:1、水泥为P.O42.5水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物，由以下重量百分数的组分组成：去离子水92.41%，卡波姆树脂粉末0.35%，中性调节剂三乙醇胺0.24%，透明玻璃微珠7%。

对比两流变参数屈服应力τ₀和塑性粘度μ，浓度0.35%卡波姆凝胶和7%透明玻璃微珠混合所得的透明胶砂拌合物回归曲线方程与水灰比为0.45、砂灰比为1:1、水泥为P.O42.5水泥砂浆拟合度R²为0.99。

在显著性水平α＝0.05条件下，作为水灰比0.45的水泥砂浆模拟介质的透明胶砂拌合物的屈服应力τ₀及塑性粘度μ均获得很好的材料等同性检验。

Claims (3)

1.模拟水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物，其特征在于，以重量百分数计包括：去离子水92.41～94.50%，940系列卡波姆树脂粉末0.30～0.35%，中性调节剂三乙醇胺0.20～0.24%，透明玻璃微珠5～7%；以上所述的透明胶砂拌合物模拟水灰比为0.45～0.5、砂灰比为1：1的水泥砂浆流变性能。

2.根据权利要求1所述的模拟水泥砂浆流变性能的卡波姆凝胶介质，其特征在于：所述透明玻璃微珠粒径范围为0.3～0.5mm。

3.一种权利要求1或2所述的水泥砂浆流变性能的透明胶砂拌合物的制备方法，其特征在于：将卡波姆树脂粉末加至去离子水中，待完全溶解后滴加三乙醇胺，搅拌均匀后静置5～10min，得透明卡波姆凝胶，再加入透明玻璃微珠后搅拌均匀，即可。

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