聚合物改性水泥基材早期水化吸附作用研究

白皓

摘要：隨著我國“2035年遠景目標建議”的提出，滿足極端環境和復雜荷載條件的新材料設計成為人們關注的重點問題。本文基于水泥基材早期水化過程對聚合物吸附作用進行深度研究，研究發現聚合物吸附處于吸附與解吸附的動態平衡狀態，且吸附量還受到礦物呈現電荷的不同分散吸附量也略有區別。

關鍵詞：聚合物;水泥基材;早期水化;吸附

引言

聚合物因成本較低、使用便捷，可保證混凝土的流動性、保水性，有效提高混凝土基材的耐久性、抗化學腐蝕性、抗凍融性、良好的力學性能及延展性能，作為混凝土高性能化的有效途徑之一[1]。常見改性聚合物水泥基材制備由均勻分散的聚合物乳液[2-3]與水泥基材經一定配比充分拌和制得，且根據聚合物乳液對水泥基材處理方式的不同，對水泥基材的改性效果也存在較大差異。

針對聚合物與水泥基材之間的作用原理，眾多學者提出了不同的見解。目前，普遍認為[4-6]水泥基材由硅酸鹽、鋁酸鹽兩大類的熟料組成。液體環境條件下，鋁酸鹽固體表面呈現負電荷，由于范德華力作用易于吸引呈現正電荷的聚合物顆粒靠近，并吸附于其固體表面阻礙鋁酸鹽進一步與水接觸，延緩初始反應程度。而硅酸鹽所含的鈣離子與水接觸后易于溶解釋放，促使硅酸鹽表面呈現負電荷，但被釋放出的鈣離子環游在硅酸鹽表面，間接性促使硅酸鹽礦物能夠吸附呈正電荷的聚合物。但聚合物摻量與水泥基材早期水化促使的吸附關系還尚不清楚。因此，基于水泥基材早期水化過程對聚合物吸附作用進行深度研究，為實現新材料配合比設計和結構設計提供依據。

一、試驗設計

1.1 試驗材料

（1）水泥

本研究中使用PO42.5普通硅酸鹽水泥，其水泥泥熟料化學與礦物組成如表1、2所示。所涉及的組成、含量與配比等，除特殊說明外，均采用質量分數（wt. %）。同時，試驗使用Bettersize2000LD激光粒度分布儀測定水泥比表面積為1.367m2/g，中值粒徑（D50）為44.37μm，粒徑分布如圖1所示。

（2）聚合物

本研究采用雙酚A型環氧樹脂（DYD128），含有大量的環氧基（-COOH）和羥基（-OH）。本試驗采用乳化后的聚合物乳液進行試驗。試驗使用Bettersize2000LD激光粒度分布儀測定環氧乳液比表面積為1.314m2/g，中值粒徑（D50）為1.452μm，粒徑分布如圖2所示。

1.2 試驗方法

本研究以聚合物摻量（水泥質量的0.3%、0.7%、1.0%、2.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%）為變量，保持水灰比（0.35）不變，設計試驗8組。具體試驗步驟如下：

（1）試樣制備：按配比稱取一定量水泥、水、聚合物乳液，利用凈漿攪拌儀低速攪拌2分鐘，再高速攪拌2分鐘。

（2）取20-30ml試樣取至50mL離心管中，利用LD-4臺式離心機在1500rpm轉速條件下離心5分鐘，取上部清液與燒杯中，利用大量清水進行稀釋。

（3）利用“布氏漏斗—分液瓶—真空泵”組裝成的過濾系統配合3μm圓形濾紙對稀釋后的試樣進行過濾，重復過濾3次，獲取過濾后的上層清液。

（4）將上層清液存儲在480mL結晶皿中，放置在155°C烘干箱進行烘干5h，待冷卻后稱取固體質量。

二、試驗結果分析

本研究以聚合物摻量為變量，通過檢測早期聚合物在水泥孔隙溶液中的殘余量反算早期聚合物吸附量，確定聚合物摻量和吸附量的關系曲線和聚合物摻量和吸附率的關系曲線，如圖4-5所示。

由圖4聚合物摻量與吸附量關系曲線可知，在統一試驗條件下，聚合物摻量與吸附量呈線性關系，且與聚合物完全吸附曲線相比，聚合物摻量越多，聚合物吸附總量逐漸增加，但增加趨勢逐漸減弱。由圖5聚合物摻量與吸附率關系曲線可知，隨著聚合物摻量的增加，聚合物吸附率逐漸趨于某一定值，且聚合物摻量與吸附量呈自然對數關系。

經分析，聚合物吸附是空間中自由活動分子在范德華力作用下與水泥礦物固體表面發生吸附與解吸的動態平衡過程。聚合物摻量的提高將致使液相中聚合物濃度的提升，促進聚合物在水泥顆粒表面的吸附。同時，水泥基材由硅酸鹽、鋁酸鹽兩大類的熟料組成，不同的礦物熟料表面在液態環境中所呈現的電荷類型也不同，顯正電荷的聚合物更易在呈現正電荷的水泥礦物表面富集。因此，本研究所使用的聚合物其含有大量的環氧基（-COOH）和羥基（-OH），具備較強的粘附力和分子極性。當聚合物摻量較少時，聚合物較離散的分散在水泥漿中，同一吸附位點不能得到吸附與解吸附的及時補充，為了保持吸附與解吸附的平衡條件，總體吸附量較少。而隨著聚合物摻量的增加，聚合物在水泥的鋁酸鹽礦物表面大量富集，同一位置的吸附和解吸附能得到多個聚合物分析作用，總吸附量逐漸趨于定值。

三、總結

本文設計8組不同聚合物摻量的吸附試驗。試驗分析表明，聚合物吸附處于吸附與解吸附的動態平衡狀態，液相中聚合物濃度的增加將提升聚合物在水泥基材礦物表面的吸附量，但當同一吸附位點能得到及時補充時，吸附量逐漸趨于定值。且吸附量還受到礦物呈現電荷的不同，分散吸附量也略有區別。

參考文獻

[1]衡艷陽， 趙文杰. 聚合物改性水泥基材料的研究進展[J]. 硅酸鹽通報， 2014， 33（02）： 365-371.

[2]俞亮， 張雷. 乳液對水性環氧樹脂砂漿力學性能的影響[J]. 三峽大學學報（自然科學版）， 2020， 42（2）： 24-27.

[3]彭天聞. 水利工程中聚合物混凝土力學性能試驗[J]. 黑龍江水利科技， 2019， 047（009）： 26-27， 59.

[4]Kong X. Research on the chemical mechanism in the polyacrylate latex modified cement system[J]. Cement and Concrete Research， 2015， 76： 62-69.

[5]Kong X. Retardation effect of styrene-acrylate copolymer latexes on cement hydration[J]. Cement & Concrete Research， 2015， 75： 23-41.

Kong X， Pakusch J， Jansen D， et al. Effect of polymer latexes with cleaned serum on the phase development of hydrating cement pastes[J]. Cement & Concrete Research， 2016， 84： 30-40.