粘土與聚羧酸減水劑的相容性問題及解決措施

王文榮 胡家兵 鄧 翀

中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)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(qiáng)、摻量低、性能多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)，在諸多大型建筑的施工中得到了廣泛應(yīng)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(shí)，聚羧酸減水劑分散性能會(huì)大幅降低甚至完全失效，單純依靠聚羧酸減水劑技術(shù)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(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)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(xué)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(jí)）。

（3）P·O42.5 水泥，黃石華新；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，廈門標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)容器中加入一定量的環(huán)氧氯丙烷，在攪動(dòng)狀態(tài)下滴加二甲胺水溶液（滴加時(shí)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(yīng)3h，得到粘土穩(wěn)定劑。

3 結(jié)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(jié)構(gòu)。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(qiáng)；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(qiáng)。粘土礦物的不同結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成決定了它們對(duì)聚羧酸減水劑的影響存在一定的差異。本次試驗(yàn)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(duì)流動(dòng)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(duì)水泥凈漿流動(dòng)性影響

從表1可以看出，蒙脫土、高嶺土、伊利土的加入，都會(huì)降低水泥凈漿的流動(dòng)度，隨著粘土礦物摻量的提高，水泥凈漿流動(dòng)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(shí)，水泥凈漿流動(dòng)度降為235mm，當(dāng)蒙脫土摻量增加至5%時(shí)，水泥凈漿流動(dòng)度降為150mm，漿體失去流動(dòng)性。從粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)可知，蒙脫土吸水性較強(qiáng)，高嶺土與伊利土的晶層間距小，層間結(jié)合力強(qiáng)，這就造成了高嶺土與伊利土對(duì)聚羧酸減水劑的層間吸附較少，三種粘土礦物中，對(duì)聚羧酸減水劑的分散能力影響最大的為蒙脫土。

試驗(yàn)結(jié)果分析表明，粘土對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)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(qiáng)的吸水性，使拌合物稠度增加。其二，粘土礦物有很強(qiáng)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(huì)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(dòng)性。

3.2 粘土穩(wěn)定劑對(duì)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(duì)含粘土膠砂流動(dòng)性的影響，見表2。

表2 粘土穩(wěn)定劑對(duì)含粘土膠砂流動(dòng)性能的影響

從表2 可以看出，當(dāng)蒙脫土含量增加至3%時(shí)，膠砂幾乎喪失流動(dòng)性。粘土穩(wěn)定劑的加入可明顯改善膠砂流動(dòng)性，在蒙脫土摻量2%時(shí)，加入3‰的粘土穩(wěn)定劑，膠砂流動(dòng)性基本可恢復(fù)未加入粘土?xí)r的流動(dòng)性。當(dāng)粘土穩(wěn)定劑加入到膠砂體系之后，粘土的顆粒表面會(huì)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(duì)砂漿流動(dòng)性的改善作用主要有兩點(diǎn)，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(duì)聚羧酸減少劑的吸附。當(dāng)粘土礦物自身不膨脹時(shí)，會(huì)減少自身的比表面積，同時(shí)也會(huì)降低對(duì)聚羧酸減水劑的吸附。

3.3 粘土穩(wěn)定劑對(duì)含泥混凝土工作性能的影響

通過設(shè)計(jì)C30 混凝土，分析粘土穩(wěn)定劑對(duì)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(duì)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(duì)混凝土分散性能的影響

蒙脫土摻入后，會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的初始工作性能及坍落度保持能力，當(dāng)蒙脫土摻量增加至3%時(shí)，混凝土的初始坍落度由220mm 驟減為160mm，初始擴(kuò)展度由550mm 降為450mm，混凝土1h后無流動(dòng)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(qiáng)。在蒙脫土含量增加到3%～4%時(shí)，粘土穩(wěn)定劑摻量在5%時(shí)，粘土穩(wěn)定劑可以解決粘土帶給混凝土流動(dòng)性及損失問題。但當(dāng)混凝土集料中粘土含量過高時(shí)，會(huì)嚴(yán)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(huì)大幅降低，即使提高粘土穩(wěn)定劑的摻量時(shí)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(jī)理探討

蒙脫土對(duì)PCE（聚羧酸減水劑）的表面吸附及對(duì)PCE長側(cè)鏈的吸附是導(dǎo)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(huì)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(duì)后續(xù)將進(jìn)入層間的其他離子和聚合物產(chǎn)生位阻效應(yīng)。粘土穩(wěn)定劑呈短直鏈線型結(jié)構(gòu)，更容易吸附在粘土顆粒面層及進(jìn)入粘土的層間結(jié)構(gòu)，減少了聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)中長側(cè)鏈和水分子的進(jìn)入，使體系中的游離水及聚羧酸減水劑的有效含量增加，進(jìn)而改善混凝土工作性能。

4 結(jié)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(duì)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。