南昌大学周创兵院士、姚池教授团队于Constr. Build. Mater.发文:高强度搅拌作为提升水泥基材料性能的创新策略:增强水泥颗粒分布的作用

内容简介

     水泥基材料是土木工程、交通工程和水利工程中应用最广泛的建筑材料。然而，传统水泥基材料存在早期强度不足、硬化速率慢、脆性高等局限性，这通常会导致在实际应用中产生变形，严重降低了工程结构的使用寿命。优化水泥基材料的性能对于提高建筑质量和延长使用寿命至关重要。

     作为水泥基材料中的胶凝组分，水泥净浆的性能直接影响着水泥基材料的工作性能。为了提高胶凝浆体的性能，目前常用的解决方案包括改变配合比或增加水泥用量以获得更高的抗压强。此外，还可以通过添加外加剂来改善水泥的性能，通常包括使用矿物掺合料、纳米材料、增强纤维和聚合物来调节和改善水泥基材料的流变性能、力学性能和孔结构。以往的研究主要集中在通过掺加化学外加剂来改善水泥基材料的性能。不过使用此类化学方的材料成本较高，而且较少有研究探索通过物理方法增强材料性能的潜力。

     制备水泥净浆时的搅拌强度对材料性能有显著影。搅拌强度不仅保证了水泥净浆组分的均匀性，还影响水泥颗粒之间的团聚强以及其表面水化产物的形成。就目前的研究而言，缺乏关于高强度搅拌对水泥净浆水化过程影响的定量研究，其性能的影响机制尚不明确，因此迫切需要发明一种稳定可靠的高强度水泥净浆制备搅拌装置来开展系统研究。

     本研究为改善水泥基材料性能提供了一种新颖且实用的高强度搅拌技术，并开发了一种稳定且高强度搅拌装置其最大空载转速可达 24,000 转/分。 通过稳定可靠的高强度搅拌设备，填补了该领域对水泥水化过程定量影响及潜在机制不明确的空白。通过高强度搅拌的精细设置，寻找到最佳搅拌速率3000rpm，并经过更高转速的实验确定高强度搅拌存在一个最优区间。本研究通过精细的设备设计、定量的图像分析、高分辨率的物相结构解析、以及动态的孔结构监测实现了对水泥基材料性能增强效应机理的深度解析，为水泥基材料性能提升提供了一条可量化、可解释、可工业化的全新物理途径。

     本研究针对现有高剪切设备稳定性差、无法用于非牛顿流体（水泥浆）的难题自主研发了一套高强度搅拌装置。探究了水泥基材料在不同转速梯度下的宏观性能：力学强度、流动性和密度。在微观机理方面，通过研究水泥基材料的颗粒分散行为、水化产物特征和孔结构。利用超景深三维显微镜观察新拌浆体，并通过ImageJ图像分析定量分析颗粒分散行为，采用热重分析和²⁹Si核磁共振分析水化产物特征和¹H低场核磁共振无损、动态监测孔结构。通过设备研发、宏观测试、微观表征的全链条方法，系统定量的揭示了高强度搅拌增强水泥基材料的性能。

     本文研究了常规搅拌方法和高强度搅拌方法对水泥净浆性能的影响，并自主开发了一种用于制备水泥净浆的高强度搅拌装置。得出以下结论：

1.高强度搅拌方法能有效改善水泥净浆的性能。当搅拌速度为 2000 rpm 时，水泥净浆的流动性为 19.1 cm，比对照组高 50.39%。搅拌速度为 3000 rpm 时对水泥净浆力学性能的改善效果最佳，28 天抗压强度比对照组提高了 21.44%。同时，早期强度提升更为明显，1 天抗压强度提高了 50.12%。此外，在高强度搅拌方法制备的水泥砂浆中也观察到类似的力学性能增强效果。

2.高强度搅拌方法使水泥颗粒变得更加活跃，相互碰撞的机会增加，颗粒更容易摆脱静电引力，均匀分散到水中，使水泥与水充分接触，进一步加速了水化反应。

3.高强度搅拌能加快水泥的水化速率，水泥净浆样品具有更高的水化程度，并对 C-S-H 结构的平均链长和聚合度产生积极影响，有利于形成更致密、更均匀的微观结构，从而提高水泥净浆的抗压强度。

4.与常规搅拌方法相比，高强度搅拌方法制备的水泥净浆中主峰分布范围对应的横向弛豫时间 T₂ 更小，最优 T₂ 值更低，孔径更小，无害孔比例更高，少害孔、有害孔和多害孔的比例更低，水泥净浆的密实度更好，性能更优。

图1. 水泥浆制备系统：（a）高强度混合装置的概念模型;（b）混合装置的结构;（c）高强度混合装置;（d）混合刀片

图2.样品制备和检测过程

图8.水泥浆样品中通过两种混合方法制备的各个孔隙比例：（a）常规混合;（b）高强度混合