王文榮 胡家兵 鄧 翀

中交武漢港灣工程設計研究院有限公司；中交二航武漢港灣新材料有限公司

1 引言

聚羧酸高性能減水劑具有分散性強、摻量低、性能多樣化等諸多優(yōu)點，在諸多大型建筑的施工中得到了廣泛應用。目前我國優(yōu)質(zhì)的砂石資源日益枯竭，集料含泥問題突出，聚羧酸減水劑與集料含泥量高的相容性問題凸顯，成為制約聚羧酸減水劑發(fā)展的重要影響因素?；炷良虾嗔窟^高時，聚羧酸減水劑分散性能會大幅降低甚至完全失效，單純依靠聚羧酸減水劑技術提升并不能完全解決混凝土工作性差及坍損快等問題［1］。

試驗研究聚羧酸減水劑相與粘土礦物的容性問題，再通過合成一種粘土穩(wěn)定劑，抑制粘土自身吸水膨脹以及對聚羧酸減水劑的吸附，可以在一定程度上解決混凝土集料含泥問題。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

（1）粘土礦物：蒙脫土、伊利土、高嶺土，均由上海紫一試劑廠提供。

（2）化學試劑：環(huán)氧氯丙烷（分析純）、二甲胺（分析純）、乙二胺（分析純）、過硫酸鉀（工業(yè)級）。

（3）P·O42.5 水泥，黃石華新；ISO 標準砂，廈門標準砂廠；CP-J聚羧酸高性能減水劑（自產(chǎn)）。

2.2 粘土穩(wěn)定劑制備

在反應容器中加入一定量的環(huán)氧氯丙烷，在攪動狀態(tài)下滴加二甲胺水溶液（滴加時間為1h，n（環(huán)氧氯丙烷）：n（二甲胺）=1.2：1），滴加完后加入乙二胺（加入量為環(huán)氧氯丙烷與二甲胺總質(zhì)量的3%）、過硫酸鉀（加入量為環(huán)氧氯丙烷與二甲胺總質(zhì)量的3%），在65℃恒溫下繼續(xù)反應3h，得到粘土穩(wěn)定劑。

3 結果與討論

3.1 粘土礦物與聚羧酸減水劑相容性分析

砂石集料中的粘土礦物種類很多，最常見、含量最多的礦物主要為蒙脫土、伊利土和高嶺土，均為層狀結構。蒙脫土的晶層間距在1mm～4nm 之間，層間聯(lián)接力較弱；伊利土的晶層間距為1nm左右，層間聯(lián)接力強；高嶺土的晶層間距為0.7nm左右，晶層之間靠氫鍵聯(lián)接，在三種粘土礦物中高嶺土的層間聯(lián)接力最強。粘土礦物的不同結構和化學組成決定了它們對聚羧酸減水劑的影響存在一定的差異。本次試驗采用蒙脫土、高嶺土、伊利土按照一定比例（1%，3%，5%）取代水泥，來研究粘土礦物種類及摻量對流動性的影響，CP-J聚羧酸減水劑的用量為水泥的0.5%。

表1 粘土種類及摻量對水泥凈漿流動性影響

從表1可以看出，蒙脫土、高嶺土、伊利土的加入，都會降低水泥凈漿的流動度，隨著粘土礦物摻量的提高，水泥凈漿流動度逐漸降低，其中影響最為顯著的是蒙脫土，蒙脫土的摻量增加到1%時，水泥凈漿流動度降為235mm，當蒙脫土摻量增加至5%時，水泥凈漿流動度降為150mm，漿體失去流動性。從粘土礦物的晶體結構可知，蒙脫土吸水性較強，高嶺土與伊利土的晶層間距小，層間結合力強，這就造成了高嶺土與伊利土對聚羧酸減水劑的層間吸附較少，三種粘土礦物中，對聚羧酸減水劑的分散能力影響最大的為蒙脫土。

試驗結果分析表明，粘土對水泥凈漿的流動性影響主要有兩方面，其一，粘土礦物自身具有一定的吸水性，如蒙脫土具有很強的吸水性，使拌合物稠度增加。其二，粘土礦物有很強的吸附性，蒙脫土吸附減水劑的能力是水泥的數(shù)十倍，粘土顆粒會與水泥顆粒競爭吸附大量的聚羧酸減水劑，從而降低聚羧酸減水劑的有效含量，從而影響流動性。

3.2 粘土穩(wěn)定劑對含粘土砂漿工作性能影響研究

在含粘土礦物和聚羧酸減水劑的膠砂中，粘土礦物選用蒙脫土，按照砂質(zhì)量的百分比摻入（0%～3%），粘土穩(wěn)定劑按照水泥質(zhì)量的質(zhì)量千分比摻入（0‰～4‰），通過調(diào)整蒙脫土與粘土穩(wěn)定劑的摻量，研究粘土穩(wěn)定劑對含粘土膠砂流動性的影響，見表2。

表2 粘土穩(wěn)定劑對含粘土膠砂流動性能的影響

從表2 可以看出，當蒙脫土含量增加至3%時，膠砂幾乎喪失流動性。粘土穩(wěn)定劑的加入可明顯改善膠砂流動性，在蒙脫土摻量2%時，加入3‰的粘土穩(wěn)定劑，膠砂流動性基本可恢復未加入粘土時的流動性。當粘土穩(wěn)定劑加入到膠砂體系之后，粘土的顆粒表面會吸附大量粘土穩(wěn)定劑電離出的陽離子，形成一層陽離子聚合物分子層，使粘土處于穩(wěn)定狀態(tài)，抑制粘土的水化及吸水后的膨脹。陽離子型粘土穩(wěn)定劑對砂漿流動性的改善作用主要有兩點，其一抑制了粘土礦物自身吸水膨脹，增加體系中的自由水；其二，粘土穩(wěn)定劑優(yōu)先吸附在蒙脫土顆粒表面，降低了對聚羧酸減少劑的吸附。當粘土礦物自身不膨脹時，會減少自身的比表面積，同時也會降低對聚羧酸減水劑的吸附。

3.3 粘土穩(wěn)定劑對含泥混凝土工作性能的影響

通過設計C30 混凝土，分析粘土穩(wěn)定劑對含有粘土混凝土工作性的影響，混凝土配合比：水泥360kg/m3（華新水泥PO·42.5），砂792kg/m3，小石290kg/m3（5mm～10mm），大石678kg/m3（10mm～20mm），水灰比為0.44，CP-J聚羧酸減水劑摻量為1.2%。

砂石先經(jīng)水洗去除粘土等雜質(zhì)并烘干，然后用蒙脫土替代砂調(diào)整含泥量，粘土穩(wěn)定劑摻量按照聚羧酸減水劑質(zhì)量的百分比。粘土穩(wěn)定劑對摻有粘土的混凝土工作性、保坍性的影響見表3。

表3 粘土穩(wěn)定劑對混凝土分散性能的影響

蒙脫土摻入后，會嚴重影響混凝土的初始工作性能及坍落度保持能力，當蒙脫土摻量增加至3%時，混凝土的初始坍落度由220mm 驟減為160mm，初始擴展度由550mm 降為450mm，混凝土1h后無流動性。隨著粘土穩(wěn)定劑的加入，顯著地改善了混凝土的初始工作性能及保坍性能。粘土穩(wěn)定劑起到穩(wěn)定粘土礦物的作用，減少了粘土礦物的吸水量，限制了粘土礦物的膨脹，水泥漿體中自由水增多，混凝土坍落度保持能力變強。在蒙脫土含量增加到3%～4%時，粘土穩(wěn)定劑摻量在5%時，粘土穩(wěn)定劑可以解決粘土帶給混凝土流動性及損失問題。但當混凝土集料中粘土含量過高時，會嚴重影響混凝土的工作性能，混凝土體系中的自由水及減水劑有效含量會大幅降低，即使提高粘土穩(wěn)定劑的摻量時并不能完全改善混凝土工作性及損失問題。

3.4 粘土穩(wěn)定劑的作用機理探討

蒙脫土對PCE（聚羧酸減水劑）的表面吸附及對PCE長側鏈的吸附是導致聚羧酸減水劑失效的主要原因［3］。蒙脫土是一種層狀硅酸鹽礦物，其與水分子及其它離子接觸后，晶層間距會發(fā)生巨大變化，造成體積膨脹。粘土穩(wěn)定劑吸附在粘土顆粒表面及層間起到封閉作用，能對后續(xù)將進入層間的其他離子和聚合物產(chǎn)生位阻效應。粘土穩(wěn)定劑呈短直鏈線型結構，更容易吸附在粘土顆粒面層及進入粘土的層間結構，減少了聚羧酸減水劑分子結構中長側鏈和水分子的進入，使體系中的游離水及聚羧酸減水劑的有效含量增加，進而改善混凝土工作性能。

4 結束語

粘土穩(wěn)定劑可以抑制粘土自身吸水膨脹，并且優(yōu)先吸附在粘土礦物表面及層間，減少粘土顆粒對聚羧酸減水劑的消耗，可以在一定程度上解決聚羧酸減水劑與集料含泥相容性問題。