氨基磺酸系高效減水劑AH的分散機(jī)理研究

劉 娟

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210019）

氨基磺酸系高效減水劑AH的分散機(jī)理研究

劉 娟

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210019）

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了氨基磺酸系高效減水劑AH溶液的表面張力、AH在水泥顆粒表面的吸附量及ξ電位，結(jié)果表明：AH能夠減小溶液表面張力，使分散體系的自由能降低；它在水泥顆粒表面呈環(huán)圈及尾狀吸附，產(chǎn)生較大的立體空間位阻；摻AH的水泥粒子表面ξ電位絕對(duì)值較大，水泥顆粒間存在著較強(qiáng)靜電斥力。這些均使得AH具有良好分散作用。此外，AH分子結(jié)構(gòu)中存在的極性基團(tuán)與水分子間的氫鍵締合，在水泥粒子表面形成的溶劑化水膜的潤(rùn)滑，也對(duì)AH分散起到一定的加強(qiáng)作用。

氨基磺酸系高效減水劑；分散機(jī)理

當(dāng)今的混凝土工程離不開(kāi)外加劑。外加劑的出現(xiàn)，正推動(dòng)著混凝土向高強(qiáng)、高流態(tài)化和高性能方向發(fā)展，并且為各種特殊用途混凝土和特種施工混凝土的使用提供了可靠的保證。目前，它已逐漸成為混凝土中，繼水泥、砂、石和水之外不可缺少的第五組分[1]。在混凝土工程中使用量最大、用途最廣當(dāng)屬減水劑，它約占外加劑使用總量的70%～80%。氨基磺酸系高效減水劑（簡(jiǎn)稱(chēng)AH）由于其減水率高、混凝土坍落度大、坍落度的經(jīng)時(shí)損失小、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。本文作者先在實(shí)驗(yàn)室合成氨基磺酸系高效減水劑AH，然后就氨基磺酸系高效減水劑的減水分散機(jī)理展開(kāi)研究。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

對(duì)氨基苯磺酸：分析純，無(wú)水，粉劑，含量 99.8%；苯酚：分析純，無(wú)色結(jié)晶體；甲醛：溶液，含量37.0%～40.0%；40%NaOH溶液：本實(shí)驗(yàn)室自己配制；水泥：雙猴P.O32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 合成方法

稱(chēng)取一定量的對(duì)氨基苯磺酸，置于裝有溫度計(jì)、攪拌器、回流冷凝管的四口燒瓶中，加入苯酚和蒸餾水，升溫到一定值使其全部溶解，邊攪拌邊加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，緩慢滴加甲醛，在恒定溫度下保溫一段時(shí)間，然后冷卻，加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)產(chǎn)物pH值10～11，即可得到液體氨基磺酸系高效減水劑AH。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 表面張力的測(cè)定

儀器：JYW—200A 自動(dòng)界面張力儀

實(shí)驗(yàn)方法：按規(guī)定操作準(zhǔn)確配制不同濃度AH試樣溶液，采用拉膜法測(cè)其表面張力。

1.3.2 吸附量的測(cè)定

配制一定濃度的減水劑溶液，與水泥攪拌3min后，靜置一定時(shí)間，使其達(dá)到吸附平衡，倒出上層清液，用離心機(jī)（轉(zhuǎn)速為4000rpm）分離10min以上，稀釋分離出的液相使之符合比爾定律的濃度范圍。采用UV紫外分光光度計(jì)測(cè)定濃度。根據(jù)吸附前后濃度變化由下式計(jì)算吸附量。

1.3.3 ξ電位的測(cè)定

固體顆粒表面ξ電位的測(cè)定采用JS94F型電泳儀測(cè)定。將0.1g水泥樣品放入一定濃度的AH溶液中，攪拌3min后，靜止10min，然后注入電泳池中，測(cè)定其ξ電位，測(cè)定3次，取平均值。

1.3.4 水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)定

測(cè)試按照GB/T8077－2000標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。水灰比為0.29，水泥用量300g，其中外加劑摻量以固含量占水泥用量的百分?jǐn)?shù)計(jì)。

2. 結(jié)果與討論

2.1 依據(jù)熱力學(xué)原理的分散作用研究

根據(jù)熱力學(xué)原理，水泥粒子要在水中穩(wěn)定分散，獲得相對(duì)穩(wěn)定性，必須降低分散體系的自由能。而分散過(guò)程體系自由能的變化ΔG為：

式中：ΔA——水泥粒子表面積的增量

σ——固—液界面張力

T——溫度

ΔS——體系的熵變

水泥粒子的分散恰恰使比表面積增加，造成體系的自由能增加。由此可知，在體系的固相和液相相對(duì)數(shù)量一定情況下，降低體系的自由能就必須降低水泥—水表面張力[2]。為此試驗(yàn)測(cè)試了AH溶液表面張力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 表面張力與AH質(zhì)量濃度的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，AH加入能夠降低溶液的表面張力，且隨著溶液濃度的增大，表面張力下降地越多。這也就從一方面解釋了AH摻入水泥漿中，水泥顆粒具有良好分散作用的原因。

2.2 依據(jù)吸附形態(tài)的分散作用研究

一般認(rèn)為高效減水劑在水泥顆粒表面的吸附是其產(chǎn)生減水分散作用主要原因之一，為此，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了AH和目前廣泛使用的萘系高效減水劑（FDN）在水泥顆粒表面的的吸附量，依據(jù)吸附量來(lái)研究其在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)對(duì)水泥分散性能的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖2所示：

圖2 減水劑在水泥顆粒表面的吸附曲線(xiàn)圖

圖3 FDN和AH在不同摻量下對(duì)水泥 凈漿的流動(dòng)度影響

從圖2中不難看出，AH的吸附量明顯低于FDN，然而從圖3中還可以看出，在相同的摻量下，AH的分散性卻要好于FDN。形成這樣的原因，可能與二者分子結(jié)構(gòu)及的吸附形態(tài)有關(guān)。AH的分子結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4）具有較多極性支鏈，在水泥顆粒表面呈環(huán)圈及尾狀吸附[3]（如圖5所示），吸附量少。FDN分子結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖6）屬于少支鏈的線(xiàn)性結(jié)構(gòu)，在水泥顆粒表面，呈一種短棒狀平直型橫臥吸附[3]（如圖7所示），吸附量大。另外，AH的分子空間結(jié)構(gòu)較大，立體空間位阻大，使得水泥顆粒不易凝聚。FDN分子空間結(jié)構(gòu)較小，立體空間位阻小。因而表現(xiàn)為摻AH的水泥漿流動(dòng)性好于FDN。

圖4 AH分子通式

圖5 AH在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)

圖6 FDN分子通式圖

圖7 FDN在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)

2.3 依據(jù)靜電斥力的分散作用研究

當(dāng)AH加入到水—水泥體系中時(shí)，會(huì)離解成大陰離子和金屬陽(yáng)離子，其中大陰離子被水泥顆粒吸附以降低其表面能，使水泥顆粒表面帶上負(fù)電，在顆粒表面處形成擴(kuò)散雙電層，進(jìn)而在顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力。當(dāng)水泥顆粒在外電場(chǎng)的作用下作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙電層的滑移面上會(huì)產(chǎn)生電位差即ξ電位。ξ電位的大小對(duì)水泥顆粒的分散和凝聚起著重要的作用。為此實(shí)驗(yàn)研究了摻AH的水泥顆粒表面ξ電位，如圖8所示。

圖8 水泥顆粒表面ξ電位與AH濃度的關(guān)系

依圖8可知，在水—水泥體系中，未摻AH的水泥顆粒表面的ξ電位在+8mv左右，摻AH后水泥顆粒表面的ξ電位由正變負(fù)，且絕對(duì)值也隨之增大，當(dāng)濃度增加到一定值時(shí)，ξ電位值保持在-20mv～-25mv之間，與未摻AH的ξ電位相比，ξ電位絕對(duì)值增大較多。ξ電位是顆粒帶電的標(biāo)志，它的大小反映了水泥顆粒帶電的程度[3]，顆粒帶電量越多，ξ電位絕對(duì)值越大，水泥顆粒間的靜電斥力也就越大，水泥的分散效果就越好。

2.4 依據(jù)潤(rùn)滑作用的分散作用研究

紅外譜圖是對(duì)物質(zhì)定性分析最簡(jiǎn)單的方法。為此測(cè)定AH紅外譜圖，測(cè)得結(jié)果見(jiàn)下圖所示。

圖9 AH的紅外光譜圖

根據(jù)圖中可以看出，在3430cm-1處出現(xiàn)一個(gè)較寬的強(qiáng)峰，它是氨基的伸縮振動(dòng)與羥基伸縮振動(dòng)峰的疊加，1575cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)共軛體系碳碳雙鍵伸縮振動(dòng)特征譜帶。在1120cm-1和1170cm-1附近是磺酸基的很強(qiáng)的伸縮振動(dòng)峰，是磺酸基團(tuán)的特征吸收峰[4]。由此可以確定，AH分子結(jié)構(gòu)是含有極性基團(tuán)—SO3H、—OH和—NH2。這些極性基團(tuán)很容易以氫鍵形式與水分子締合[1]，另外水分子之間也會(huì)以氫鍵形成締合，由此使得水泥粒子表面形成了一層厚厚的溶劑化水膜，阻止水泥顆粒間的直接接觸，在顆粒間起到潤(rùn)滑作用，從而增加AH的分散性。

3.結(jié)論

1）AH能夠減小溶液的表面張力，降低分散體系的自由能，使得水泥粒子在水中穩(wěn)定分散。AH的分子結(jié)構(gòu)中多極性支鏈、空間結(jié)構(gòu)較大的特點(diǎn)，通過(guò)環(huán)圈及尾狀吸附在水泥顆粒表面形成較大的空間位阻，也使得AH具有很強(qiáng)的分散能力。

2）摻AH水泥顆粒表面ξ電位絕對(duì)值較大，使水泥顆粒之間產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電斥力，對(duì)水泥粒子的分散起著重要作用。此外，AH分子結(jié)構(gòu)中含有的極性基團(tuán)與水分子間氫鍵締合，在水泥粒子表面形成的溶劑化水膜的潤(rùn)滑，也對(duì)AH分散起到一定的加強(qiáng)作用。

[1] 蔣新元，邱學(xué)青，歐陽(yáng)新平，等. 氨基磺酸系高效減水劑表面與分散性能研究[J]. 混凝土，2004，4.

[2] 鮑立楠. 氨基磺酸系高效減水劑的合成與性能研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2002.

[3] 蔣新元，邱學(xué)青，歐陽(yáng)新平，等. 氨基磺酸系高效減水劑表面性能及作用機(jī)理研究[J]. 混凝土與水泥制品，2004，2.

[4] 蔣新元. 氨基磺酸系高效減水劑ASP性能研究[D]. 華南理工大學(xué)，2001.

Study on dispersal mechanizm of aminosulfonic-based superplasticizer AH

LIU Juan

We have tested the surface tension , adsorptive capacity and ξ-potential value on the surface of cement particle about aminosulfonic-based superplasticizer AH by experiment. It shows that AH can reduce the surface tension of solution and cause the free energy of dispersion system to decrease, AH is adsorbed on the surface of cement particle through the ring or caudate, it produces the big three-dimensional spatial steric hindrance, the cement particles surface of AH-doped has a larger absolute data of ξ-potential value, there is a strong electrostatic repulsion among the cement particles. These enable AH to have a good dispersion performance. In addition, there are hydrogen bonds between polar groups and water molecules in the AH molecular structure, the water film on the surface of cement particle lubricates cement particle. All of these strengthen AH dispersion.

aminosulfonic-based superplasticizer；dispersal mechanizm

TU529

A

1008-7427（2011）11-0159-02

2011-08-28

作者系江蘇城市職業(yè)學(xué)院建工系講師。