邵強(qiáng)，孫申美，徐海軍

（廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

聚羧酸減水劑與黏土調(diào)節(jié)劑的復(fù)配技術(shù)研究

邵強(qiáng)，孫申美，徐海軍

（廣州市建筑科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

選用無(wú)機(jī)類和有機(jī)類化合物為黏土調(diào)節(jié)劑與聚羧酸減水劑進(jìn)行復(fù)配，以增強(qiáng)其抗泥性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，四甲基溴化銨（TAB）抗泥效果最優(yōu)。在膨潤(rùn)土摻量為2%時(shí)，摻加5.0×10-4mol的TAB可使水泥凈漿流動(dòng)度增大11.1%、混凝土坍落度增大19%。有機(jī)碳吸附（TOC）測(cè)試結(jié)果表明，膨潤(rùn)土對(duì)TAB的吸附量最高，可達(dá)到32 mg/g。

聚羧酸減水劑；黏土調(diào)節(jié)劑；復(fù)配

0 引言

近年來(lái)，優(yōu)質(zhì)天然骨料資源銳減，迫使更多商品混凝土企業(yè)使用劣質(zhì)砂石骨料，含泥量常超標(biāo)[1]。黏土作為泥土主要礦物組分，它的引入會(huì)嚴(yán)重影響聚羧酸減水劑的減水分散性能和混凝土坍落度保持性能，當(dāng)膨潤(rùn)土的含量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，摻加聚羧酸減水劑的水泥凈漿已無(wú)流動(dòng)性，且1 h流動(dòng)性損失嚴(yán)重[2-3]，同時(shí)伴隨明顯膨脹發(fā)泡的現(xiàn)象。雖然提高減水劑用量可以有效降低黏土的影響，但是容易導(dǎo)致混凝土凝結(jié)時(shí)間超長(zhǎng)及抗壓強(qiáng)度比降低等問(wèn)題[4-6]，所以選用復(fù)配特定功能的黏土制劑更為可取。鑒于膨潤(rùn)土極強(qiáng)的吸水膨脹性，筆者綜合電荷種類、分子尺寸和潛在的負(fù)面作用選擇黏土調(diào)節(jié)劑，使其與聚羧酸減水劑形成競(jìng)爭(zhēng)吸附，減少膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸減水劑（PCE）分子的吸附，最終實(shí)現(xiàn)抗泥效果。

本文選用葡萄糖酸鈉、改性木質(zhì)素磺酸鈉、季胺鹽、多聚醇等有機(jī)小分子和硅酸鈉、氯化鉀等無(wú)機(jī)鹽作調(diào)節(jié)劑，與聚羧酸減水劑復(fù)配，分析其對(duì)含潤(rùn)土水泥凈漿、砂漿擴(kuò)展度和混凝土工作性的影響，并通過(guò)有機(jī)碳吸附（TOC）測(cè)試研究膨潤(rùn)土對(duì)調(diào)節(jié)劑的吸附能力，優(yōu)選最佳黏土調(diào)節(jié)劑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 復(fù)配原材料

高效聚羧酸減水劑，固含量10%，自制；十六烷基溴化銨（CTAB），分析純，阿拉丁試劑；四甲基溴化銨（TAB），分析純，阿拉丁試劑；苯甲酸銨，分析純，阿拉丁試劑；聚乙二醇（200、400、600、1000、2000），工業(yè)級(jí)，上海東大化學(xué)有限公司；氯化鉀，分析純，阿拉丁試劑；硅酸鈉，分析純，阿拉丁試劑；葡萄糖酸鈉，工業(yè)級(jí)，山東西王集團(tuán)食品有限公司；木質(zhì)素磺酸鈉，工業(yè)級(jí)，上海葉茲化工有限公司；季胺鹽ISQ 400，相對(duì)分子質(zhì)量400，自制。

1.2 試驗(yàn)原材料

水泥：基準(zhǔn)水泥、華潤(rùn)P·Ⅱ42.5R；礦渣：韶鋼S95；粉煤灰：Ⅰ級(jí)灰；砂：北江砂，細(xì)度模數(shù)2.6；碎石：粒徑5～25 mm連續(xù)級(jí)配；膨潤(rùn)土：比表面積20～40 m2/g，阿拉丁試劑。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）水泥凈漿流動(dòng)度參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

（2）水泥砂漿擴(kuò)展度及抗壓強(qiáng)度參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試。

（3）體積率測(cè)試方法：取500 g砂漿裝入1 L量筒，振搗25次，將未摻調(diào)節(jié)劑砂漿對(duì)應(yīng)刻度設(shè)為100%，摻調(diào)節(jié)劑砂漿對(duì)應(yīng)刻度與其比值為體積率。

（4）混凝土性能試驗(yàn)依據(jù)GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行測(cè)試。

（5）有機(jī)碳吸附量測(cè)定方法：①將調(diào)節(jié)劑稀釋至1000 mg/L，制成基準(zhǔn)樣品；②取0.5 g膨潤(rùn)土加入到100 mL基準(zhǔn)樣品中，在磁力攪拌機(jī)下攪拌60 min，然后靜置60 min，將收集得到的漿體與基準(zhǔn)樣品放入離心機(jī)中，以5000 r/min轉(zhuǎn)速，離心10 min；③抽取上層清液，并通過(guò)0.45 μm的抽濾膜，將濾液收集，以備測(cè)試，基準(zhǔn)樣品測(cè)得TOC0，待測(cè)樣品測(cè)得TOC1，調(diào)節(jié)劑在膨潤(rùn)土顆粒上的TOC量=TOC0-TOC1。

2 結(jié)果與討論

2.1 調(diào)節(jié)劑對(duì)摻膨潤(rùn)土水泥凈漿流動(dòng)性的影響

為準(zhǔn)確分析調(diào)節(jié)劑分子結(jié)構(gòu)對(duì)膨潤(rùn)土的影響，試驗(yàn)選用摻加相同物質(zhì)的量的調(diào)節(jié)劑測(cè)試水泥凈漿流動(dòng)度，以避免同質(zhì)量造成的分子數(shù)目不同，然后用2%的膨潤(rùn)土替代水泥，摻調(diào)節(jié)劑和膨潤(rùn)土的水泥凈漿流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 摻調(diào)節(jié)劑和膨潤(rùn)土的水泥凈漿流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，在摻加5.0×10-4mol調(diào)節(jié)劑的條件下，無(wú)機(jī)鹽可以改善摻膨潤(rùn)土水泥凈漿流動(dòng)性，其中硅酸鈉可以使流動(dòng)度增大10mm，說(shuō)明水泥拌合物中額外加入無(wú)機(jī)鹽可壓縮黏土礦物的擴(kuò)散雙電層，減弱PCE在膨潤(rùn)土層次的穿插作用[7]。PEG類結(jié)構(gòu)分子具有一定的抗泥效果，水泥凈漿流動(dòng)度隨分子質(zhì)量的提高而增大。葡萄糖酸鈉與木質(zhì)素磺酸鹽通常作為緩凝劑用于聚羧酸減水劑的復(fù)配，但在本試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抗泥性能，不僅提高漿體流動(dòng)性，漿體的和易性也有所改善。有機(jī)季銨鹽效果突出，其中TAB使水泥凈漿流動(dòng)度增大20 mm。CTAB使?jié){體黏度明顯降低，但流動(dòng)性沒(méi)有顯著提高，說(shuō)明其具有一定的引氣功能。

2.2 調(diào)節(jié)劑對(duì)摻膨潤(rùn)土膠砂性能的影響

鑒于有機(jī)調(diào)節(jié)劑優(yōu)良的和易性及溶解性，重點(diǎn)研究PEG類及有機(jī)季銨鹽類調(diào)節(jié)劑。通過(guò)觀察調(diào)節(jié)劑對(duì)含膨潤(rùn)土砂漿擴(kuò)展度、體積率及抗壓強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步分析有機(jī)調(diào)節(jié)劑的抗泥性能及潛在的引氣作用。摻有機(jī)調(diào)節(jié)劑和摻膨潤(rùn)土水泥膠砂的性能見(jiàn)表2。

表2 摻有機(jī)調(diào)節(jié)劑和摻膨潤(rùn)土水泥膠砂的性能

由表2可見(jiàn)：

（1）摻入膨潤(rùn)土后砂漿初始擴(kuò)展度減小了15 mm，1 h經(jīng)時(shí)損失達(dá)40.3%，表明黏土對(duì)砂漿性能影響較大。但是砂漿和易性有所改善，體積率卻無(wú)增大，說(shuō)明黏土提升漿體和易性并不是由于含氣量的增大，而是因?yàn)槠湮蛎沎8]。

（2）PEG類調(diào)節(jié)劑沒(méi)有明顯提高砂漿初始流動(dòng)度，但有效降低1 h經(jīng)時(shí)損失，最小損失率為24.7%。通過(guò)比較等量砂漿的體積發(fā)現(xiàn)，隨著聚氧乙烯鏈的增長(zhǎng)，砂漿體積發(fā)生較大膨脹，同時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度降低。其中PEG200的28 d抗壓強(qiáng)度降低3.1%、PEG2000降低12.4%，說(shuō)明PEG引氣量較大，降黏抗泥作用主要是通過(guò)提高漿體含氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）有機(jī)季銨鹽類調(diào)節(jié)劑引氣量同樣隨著支鏈增大而增加，砂漿最大體積膨脹率達(dá)200%，各齡期抗壓強(qiáng)度明顯降低，其中摻加CTAB時(shí)28 d抗壓強(qiáng)度降低52.1%，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)到400時(shí)，砂漿28 d幾乎無(wú)抗壓強(qiáng)度。但TAB除了表現(xiàn)出極佳的抗泥效果外，并沒(méi)有造成砂漿膨脹，砂漿初始擴(kuò)展度達(dá)到375 mm，1 h擴(kuò)展度為350 mm，體積率為100%，砂漿抗壓強(qiáng)度42.3 MPa，說(shuō)明小分子有機(jī)季胺鹽的抗泥效果是通過(guò)靜電吸附而非引氣作用實(shí)現(xiàn)。

因?yàn)樵陴ね粒w系中，黏土礦物顆粒表面是帶負(fù)電荷，與非離子型調(diào)節(jié)劑相比，陽(yáng)離子調(diào)節(jié)劑可以通過(guò)靜電吸附和范德華力有效吸附于黏土礦物顆粒表面，從而減少膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸減水劑分子的吸附。

2.3 有機(jī)調(diào)節(jié)劑對(duì)膨潤(rùn)土有機(jī)碳吸附的影響（見(jiàn)表3）

表3 不同有機(jī)調(diào)節(jié)劑對(duì)膨潤(rùn)土有機(jī)碳吸附量的影響

由表3可見(jiàn)，與PEG類調(diào)節(jié)劑相比，膨潤(rùn)土對(duì)有機(jī)季銨鹽的吸附整體較大，分子質(zhì)量的增加并沒(méi)有使2類調(diào)節(jié)劑的吸附量發(fā)生規(guī)律性變化。PEG類調(diào)節(jié)劑中，分子質(zhì)量居中的PEG600吸附量最小，PEG200和PEG2000均高于前者；季胺鹽類調(diào)節(jié)劑中，分子質(zhì)量最小的TAB吸附量最大，分子質(zhì)量增大并沒(méi)有使吸附量發(fā)生較大變化。2類調(diào)節(jié)劑的有機(jī)吸附碳特性與砂漿擴(kuò)展度規(guī)律性結(jié)果不同，進(jìn)一步說(shuō)明支鏈的增長(zhǎng)只增強(qiáng)PEG調(diào)節(jié)劑的引氣作用，并沒(méi)有提升其抗泥性能，有機(jī)季胺鹽則是通過(guò)電荷吸附實(shí)現(xiàn)抗泥效果。

2.4 抗泥調(diào)節(jié)劑在混凝土中的應(yīng)用效果

根據(jù)砂漿流動(dòng)性與TOC結(jié)果，優(yōu)選TAB、PEG200、PEG2000與聚羧酸減水劑復(fù)配，考察黏土調(diào)節(jié)劑的混凝土抗泥效果，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 抗泥調(diào)節(jié)劑的混凝土應(yīng)用效果比較

由表4可見(jiàn)：

（1）黏土嚴(yán)重影響混凝土的工作性，當(dāng)黏土含量低于3%時(shí)，基本滿足施工要求，但坍落度和擴(kuò)展度隨黏土含量增加而減小；黏土含量超過(guò)3%時(shí)，新拌混凝土幾乎沒(méi)有流動(dòng)性，不能滿足施工要求，因此試驗(yàn)優(yōu)選膨潤(rùn)土最優(yōu)摻量為2%。

（2）PEG200沒(méi)有提高含氣量，混凝土工作性也無(wú)改善；PEG2000提高了混凝土的工作性能，但是降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，28 d抗壓強(qiáng)度下降約2.0 MPa，進(jìn)一步說(shuō)明PEG是通過(guò)極強(qiáng)的引氣性降低黏土對(duì)PCE分散性能的影響。

（3）選用TAB時(shí)，混凝土坍落度增大30 mm，流動(dòng)度提高19%，拌合物黏聚性無(wú)明顯變化，含氣量無(wú)增加，混凝土抗壓強(qiáng)度亦無(wú)降低，進(jìn)一步表明，TAB是通過(guò)抑制膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸分子的吸附來(lái)增強(qiáng)PCE的抗泥性能。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）相比無(wú)機(jī)調(diào)節(jié)劑，有機(jī)類分子溶解性更好，抗泥效果顯著，漿體和易性更優(yōu)。

（2）聚乙二醇類單元表現(xiàn)出較好的抑制黏土副作用的性能，但其引氣量偏大，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響較大。

（3）TOC表明，膨潤(rùn)土對(duì)有機(jī)季胺鹽的吸附比聚乙二醇類分子更強(qiáng)，進(jìn)一步證實(shí)，季胺鹽可以通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)吸附減少膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸分子的吸附。

（4）長(zhǎng)鏈有機(jī)季胺鹽引氣作用比聚乙二醇更加明顯，但小分子四甲基溴化銨引氣作用不明顯，與聚羧酸減水劑復(fù)配，在TAB摻量為5.0×10-4mol時(shí)，含2%膨潤(rùn)土的新拌混凝土流動(dòng)性可提高19%。

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Research on combination of clay sacrificial agents and polycarboxylate superplasticizer

SHAO Qiang，SUN Shenmei，XU Haijun
（Guangzhou Institute of Building Science Co.Ltd.，Guangzhou 510440，China）

Inorganic and organic compounds were chosen as clay sacrificial agents，which were combined with polycarboxylate superplasticizer to improve their dispersion robustness towards clay.The results indicated that tetra-methyl ammonium bromide（TAB）was optimum for clay sacrificial agent.When the content of bentonite was 2%，TAB could increase the fluidity of cement paste（about 11.1%）and slump of concrete（about 19%）.And the result of TOC amount test indicated that the adsorption quantity of bentonite on TAB was the highest，up to 32 mg/g.

polycarboxylate superplasticizer，clay sacrificial agent，combination

TU528.042

A

1001-702X（2016）12-0033-03

2016-05-15；

2016-06-12

邵強(qiáng)，男，1986年生，河北保定人，碩士，工程師，主要從事混凝土外加劑的研究。