水泥中孔隙的形成来源于水蒸发和水泥浆的夹带。由于每个实验中水和水泥的比例相同,固化条件完全相同。因此,各灌浆孔隙结构的差异主要来源于灌浆的引气效应。在这部分,纤维素醚对水泥浆的引气作用影响了孔隙结构的形成机理。
水泥浆在机械搅拌过程中,随着浆液与空气的连续作用,水泥浆包裹空气,在水泥浆内形成大量气泡。这些泡沫并不总是永远留在水泥浆中;一方面这些气泡有很多气体。液体界面面积和界面能是热力学不稳定的系统,具有自动破坏小液滴的产生以减小界面面积和界面能的趋势;另一方面,泡沫密度非常低,有可能溢出到泥浆表面的趋势。
因此,由浆液引入的气泡对孔隙结构的影响取决于两个因素:
(1)浆液对气泡形成的影响;
(2)浆液稳定气泡的能力,其又包括两个方面,即浆液抑制泡沫破裂的能力并注浆抑泡泡沫能力。
01. 水泥中气泡形成的理论分析
当水泥中形成气泡时,气液界面面积急剧增大,系统能量大幅度增加。这种能量来自机械搅拌。在恒定的搅拌外力的作用下,表面张力越小,形成单一气泡的表面积越大(例如形成肥皂泡)。结果,气泡的体积变大,即气泡更容易形成。
02. 水泥稳定泡沫的理论分析
水泥浆中气泡的稳定性主要取决于液膜的性质。液膜的强度越高,气泡就越稳定。灌浆中的小气泡总是倾向于以两种方式自动分裂成大气泡:固结或扩散消失。表面张力越大或气泡直径越小,小气泡变成大气泡的趋势越明显。然而,气泡的“大”和“小”是相对的,小气泡不会一直被破坏。随着气泡直径变大,附加压力越小,损坏的趋势就越弱。当破坏压力低于液膜强度时,气泡直径趋于稳定,气泡不再受到明显损伤。因此,如果液膜的强度更高,则气泡会更稳定(直径更小)。水泥浆料中液相的粘度对稳定气泡具有非常大的影响。液相粘度越高,液膜排水速度越慢,气泡内部的气体扩散速度越慢,即小气泡崩塌的速度,气泡也不易漂浮到浆液的表面。
其次,纤维素醚影响浆体气泡的动力学
纤维素醚主要通过改变液膜性质影响水泥浆体的孔结构。首先,纤维素醚同时具有亲水基(羟基和醚基)和疏水基(甲基和葡萄糖碳环)并具有表面活性。加入水泥浆后,液膜表面张力明显下降,浆液中易产生气泡,浆液表面张力越低,浆液中越容易产生气泡;其次,由于浆料中液膜表面张力的降低,纤维素醚会影响浆料液膜过程和气泡扩散过程中液膜的排列,从而减缓了膜层的合并或扩散气泡消失成大气泡过程,影响浆液的孔径分布:三是纤维素醚作为高分子表面活性剂,将取向吸附富集于气液界面,即气泡壁,显着提高强度液膜的韧性,起到稳定气泡的作用。液膜的表面张力纤维素醚浓度越低,液膜的强度和韧性越强。
第四,纤维素醚可以显着增加液膜的粘度,气泡浮动有抑制作用,起到稳定气泡的作用。
总之,纤维素醚在淤浆中的加入通过降低液相的表面张力来增加液相的粘度,使淤浆更容易产生和稳定气泡并影响气泡形成动力学。 纤维素醚的表面张力越低,粘度越高,越容易形成和稳定气泡。 纤维素醚的表面张力越低,越容易减慢合并小气泡或消失成大气泡的过程。
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