不同粘土對聚羧酸系減水劑應用性能的影響

王子明，程勛，李明東

（1. 北京工業大學材料學院，北京；2.中國中鐵隧道集團有限公司北京中鐵隧建筑有限公司，北京）

1 前言

聚羧酸系減水劑不僅與水泥存在著相容性問題，用于不同水泥體系時會表現出不同的性能。對某種水泥表現良好流動性和流動性保持能力的聚羧酸系減水劑，用于其它水泥時，可能表現出流動度損失過快，或者流動性隨時間增加現象。此外，還發現有時摻加聚羧酸系減水劑的水泥漿體的凈漿流動度2個小時不損失，但使用同樣的水泥拌制的新拌混凝土在30分鐘內失去流動性，水泥凈漿流動性結果與混凝土流動性結果表現出很大的差異，這說明混凝土中除水泥之外的其它原材料與聚羧酸系減水劑也存在著相容性問題。工程實踐和實驗室研究表明，砂石含泥量對摻加聚羧酸系減水劑混凝土的流動性及其保持性能具有顯著的影響，但對粘土的影響機理和解決措施還沒有系統研究。

為了更好地在工程中使用聚羧酸系減水劑，擴大聚羧酸系減水劑的應用范圍，保證混凝土的施工和質量，有必要研究粘土對聚羧酸系減水劑的應用性能的影響，找出粘土對聚羧酸系減水劑性能的影響規律和影響機制，為今后新型減水劑聚合物的設計提供依據。

2 試驗原材料和試驗方法

2.1 原材料

水泥采用基準水泥（80μm篩余量0.5%），其化學成分見表1。砂子采用細砂，細度模數Mx=0.93，水采用自來水。粘土按其礦物組分可以分為高嶺土和膨潤土，試驗選用2種粘土的化學成分如表2 所示。采用三種不同的聚羧酸系減水劑，分別記為PCE-1、PCE-2和PCE-3。PCE-1和PCE-3是聚醚類的聚羧酸減水劑，PCE-2聚酯類的聚羧酸減水劑，三種聚羧酸系減水劑的物理性能指標見表3。

2.2 實驗方法

a) 砂漿流動度試驗方法

砂漿配比∶水泥∶細砂∶水 = 450∶500∶185，聚羧酸系減水劑摻量0.2%（有效成分占水泥質量百分數），粘土摻加采用內摻法替代細砂。測定空白砂漿和不同粘土摻量的砂漿的初始流動度和保留流動度。

b) 吸附量試驗方法

準確稱取40g水于燒杯中，加入定量減水劑（使其減水劑濃度和凈漿液相的濃度一樣），再加入10g的粉料攪拌，分別于5min、30min、60min、90min、120min取部分均勻漿體在高速離心機上以6000r/min的轉速離心分離5min，再取其上部清液稀釋1000倍后，進行TOC分析。

表1 基準水泥化學成分 %

表2 粘土的化學分析 %

表3 各減水劑的物理性能指標

3 結果與討論

3.1 粘土對砂漿流動度的影響

摻加3種聚羧酸系減水劑的砂漿流動度及其隨時間變化結果見圖1、圖2和圖3。可見高嶺土和膨潤土對砂漿流動度及其損失的影響規律有很大的區別。膨潤土的加入對各種摻加減水劑砂漿的流動性都有很大的影響， 摻加PCE-2的砂漿在膨潤土摻加量為1%時，其初始流動度和2小時后的流動度仍大于200mm；PCE-1和PCE-3在膨潤土摻量為1%已經受到嚴重影響，在摻量超過2%后，都失去了分散作用。

從初始流動度來看，隨著高嶺土摻量增加，摻加PCE-1的砂漿流動度均勻快速下降，沒有明顯的拐點；摻加PCE-2的砂漿流動度在高嶺土摻量超過5%后，流動度及其保持性能開始快速下降；PCE-3對高嶺土表現出較大的敏感性，在高嶺土摻量超過1%后，流動性開始快速下降。從流動度保持來看，高嶺土對摻加PCE-2的砂漿影響較小，只有在高嶺土摻量超過6%時，其60分鐘和120分鐘的流動度才會較初始流動度小，而且在3%～5%范圍內時，其60分鐘和120分鐘的流動度的增長幅度最大；摻加PCE-1的砂漿在高嶺土摻量不到5%時就損失得較厲害，小于初始流動度；而PCE-3在高嶺土摻量5%時，其試樣的保留流動度已完全損失。

此外，不同類型的聚羧酸系減水劑受粘土影響的程度不同，聚酯類聚羧酸系減水劑（PCE-2）對粘土的敏感性較低，而聚醚類聚羧酸系減水劑更容易受到粘土的影響。根據高嶺土對這不同聚羧酸系減水劑砂漿流動度的影響臨界含量，評價不同聚羧酸系減水劑對粘土的敏感性，結果如表4所示。

表4 不同減水劑受到明顯影響的高嶺土臨界用量

3.2 各種聚羧酸系減水劑在水泥和粘土顆粒上的吸附

測定聚羧酸系減水劑在水泥和粘土顆粒上的吸附量和吸附量隨時間的變化規律，結果見圖4、圖5和圖6。

圖4為3種PCE減水劑在基準水泥的吸附量及其經時吸附曲線，從圖中可以看出，三種聚羧酸系減水劑在水泥顆粒上的吸附量基本差距不大，隨著時間的延長，吸附量呈增加趨勢。每克水泥吸附的聚羧酸系減水劑約為2～4mg。

圖5和圖6分別為高嶺土和膨潤土對各種PCE的吸附及其經時曲線。可以看出，高嶺土和膨潤土的對各種聚羧酸系減水劑表現出強烈的吸附，聚羧酸系減水劑在高嶺土上的吸附量約為10～20mg/g，約是水泥顆粒吸附量的5～10倍；聚羧酸系減水劑在膨潤土上的吸附量約為110～120mg/g，約是水泥顆粒吸附量的50倍；此外，聚羧酸系減水劑在高嶺土和膨潤土上的吸附量隨時間變化不大，說明粘土對聚羧酸系減水劑的吸附很快，初始就將達到其平衡吸附量。

比較分析粘土對摻加聚羧酸系減水劑砂漿的流動性及其保持的影響和聚羧酸系減水劑在不同顆粒上吸附量結果，可以認為，高嶺土和膨潤土對聚羧酸系減水劑的強烈吸附是影響砂漿流動性的重要原因。粘土吸附了較多的聚羧酸系減水劑分子，剩余用于分散水泥顆粒的聚羧酸系就不足了，所以砂漿流動性變小。膨潤土對聚羧酸系減水劑的吸附量更大，對砂漿流動性的影響更大，這與前一部分流動度實驗結果也很吻合。PCE-2在高嶺土顆粒上的吸附量較低，所以對砂漿流動度影響較小。膨潤土對這幾種減水劑的吸附量是水泥的50倍左右，所以僅摻1%膨潤土時砂漿的流動度就損失殆盡。

3.3 減小粘土對砂漿流動性影響的措施

從以上砂漿實驗結果中，我們可以看到粘土對砂漿流動度的影響很大。當高嶺土的含量超過一定值時，流動度要下降很多，而膨潤土的臨界含量甚至只有1%。現實工程中必須對砂石原材料的含泥量嚴格要求（特別是膨潤土），而這在我國很多地區比較難實現。聚羧酸減水劑就是一種低摻量的、對粘土敏感的高效減水劑，所以砂石原材料的波動很容易影響工程的質量。如果能夠找到一種吸附速率比聚羧酸系減水劑還要快的物質，就能夠減小對聚羧酸系減水劑的吸附，從而降低粘土對聚羧酸系減水劑性能的影響。

試驗選用了一種小分子的聚合物XS-L與聚羧酸系減水劑復合使用來改善粘土對砂漿流動度的影響。固定高嶺土摻量為5%，膨潤土摻量為1%，其他條件不變，結果見圖7～圖10。實驗結果表明XS-L本身對砂漿流動度沒有貢獻，但與聚羧酸系減水劑復合使用時，砂漿的初始流動度以及其保留流動度都有較大的提升，說明XS-L可以抵抗粘土負作用。XS-L對2種受粘土影響較大的減水劑（PCE-1和PCE-3）的砂漿流動度提高和保持有較大的作用。

4 結論

1）粘土對聚羧酸減水劑在實際應用中的效果有較大的負作用，負作用大小與聚羧酸系減水劑本身種類和性質有關；

2）不同的粘土對聚羧酸系減水劑的影響程度也不一樣，膨潤土較高嶺土要大得多；

3）高嶺土對聚羧酸系的吸附量是水泥的數倍，而膨潤土對PCE的吸附量是水泥的數十倍；

4）水泥對聚羧酸系的吸附量隨時間不斷增長，而粘土對PCE的吸附在初始就將達到其平衡；

5）XS-L有抵抗粘土對摻聚羧酸系減水劑影響的作用。

[1]劉國棟.砂子泥含量對摻聚羧酸減水劑混凝土強度的影

[2]響[J].水泥與混凝土,2009（1）:22-25.劉國棟，關志梅，魏春濤.砂子含泥量對摻用聚羧酸高效減水劑混凝土性能的影響及有效對策[J].商品混凝土，2005（3）：15-18.