粘土對(duì)聚羧酸減水劑性能影響的研究

李　虹，李　悅，吳淼可，劉雄飛

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

?

粘土對(duì)聚羧酸減水劑性能影響的研究

李虹，李悅，吳淼可，劉雄飛

(北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

摘要：因?yàn)榛炷链旨?xì)骨料中粘土對(duì)聚羧酸系減水劑減水效果影響顯著，該文研究了不同粘土含量對(duì)摻加聚羧酸減水劑的砂漿流動(dòng)度，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)粘土含量為3%、6%及9%時(shí)，砂漿初始流動(dòng)度分別比不摻粘土砂漿降低了20%、40%和52%，3 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別降了10.7%、17%和19.7%，28 d齡期時(shí)的抗折強(qiáng)度分別降低了8%、14.6%和27%，試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了粘土的存在會(huì)降低聚羧酸減水劑的減水效果以及制備的砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：聚羧酸減水劑；粘土；流動(dòng)性；抗壓強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

聚羧酸減水劑(PCE)是由帶有磺酸基、羧基、氨基以及含有聚氧乙烯長(zhǎng)鏈等功能基團(tuán)的大分子化合物，在以水為溶劑的條件下，通過(guò)自由基共聚原理合成的具有梳型結(jié)構(gòu)的高分子表面活性劑。從國(guó)內(nèi)外發(fā)表的研究論文和公開(kāi)專利[1-4]來(lái)看，根據(jù)其主鏈結(jié)構(gòu)的不同可以將PCE產(chǎn)品分為兩大類：一類以丙烯酸或甲基丙烯酸為主鏈，一類以馬來(lái)酸酐為主鏈。PCE作為第三代減水劑，和前兩代減水劑相比，其具有超高的減水率，可在低摻量時(shí)達(dá)到高減水率的減水效果[5-7]。使用PCE可用更多礦渣、粉煤灰取代水泥，從而降低成本。因此，PCE成為目前國(guó)內(nèi)外化學(xué)外加劑研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[8]。然而，砂石泥土的層間結(jié)構(gòu)和所包含的氯離子、鎂離子等高價(jià)金屬離子會(huì)大量吸附減水劑，使減水劑失去活性[9]。羧酸減水劑對(duì)砂石中粘土具有高敏感度、強(qiáng)結(jié)合性等特點(diǎn)，所以砂石中泥土含量很大程度上影響了羧酸減水劑的減水效果。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于粘土對(duì)PCE的減水效果進(jìn)行了大量的研究。例如：王子明[10]等研究了兩種不同粘土對(duì)摻加PCE砂漿的流動(dòng)度影響，發(fā)現(xiàn)這兩種粘土對(duì)砂漿流動(dòng)性影響相差很大。不同粘土對(duì)PCE減水效果的影響程度也不一樣，膨潤(rùn)土較高嶺土要大得多。高嶺土對(duì)PCE吸附量為水泥的數(shù)倍，而膨潤(rùn)土為水泥的數(shù)十倍。水泥對(duì)PCE的吸附量隨時(shí)間增加不斷增長(zhǎng)，而粘土對(duì)PCE的吸附在一開(kāi)始達(dá)到平衡。張麗超[11]對(duì)骨料中泥土的含量對(duì)PCE工作性能的影響做了研究，得出結(jié)論：土的類型影響到了它對(duì)外加劑的吸附能力，其中土的稠度是因素之一。當(dāng)外加劑和土的摻量為某一定值，繼續(xù)增加外加劑和土的摻量，混凝土的流動(dòng)度也不再增加，反而減小。黃天勇[12]研究了粘土及石灰石粉對(duì)水泥漿體性能的影響，認(rèn)為無(wú)論是摻入PCE還是萘系減水劑，水泥凈漿流動(dòng)度在各個(gè)時(shí)期均隨著粘土摻量的增加而明顯降低。

綜上所述，關(guān)于粘土與PCE結(jié)合原理的研究比較充分，但對(duì)粘土對(duì)含PCE砂漿的流動(dòng)性及強(qiáng)度的影響研究比較少，所以該文對(duì)相同PCE含量不同粘土含量的砂漿的經(jīng)時(shí)流動(dòng)性，以及3 d、28 d抗壓、抗折強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

1原材料

水泥：普通早強(qiáng)型硅酸鹽水泥P.O 42.5R，其組分含量如表1所示；砂子：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂；水：自來(lái)水；減水劑：天津冶建特種材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量39.8%，主鏈結(jié)構(gòu)為馬來(lái)酸酐；粘土：取自市區(qū)花壇，各項(xiàng)物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)前將粘土過(guò)0.08 mm篩去除內(nèi)部砂子及大顆粒，所得粘土粒徑范圍為小于0.08 mm的粉質(zhì)粘土。

表1　水泥化學(xué)成分及其熟料的礦物組成　w/%

表2　試樣用土物性指標(biāo)

2試驗(yàn)方法

2.1　確定PCE與水泥之間的相容性

根據(jù)《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2000)確定無(wú)粘土摻入的水泥砂漿PCE摻量飽和點(diǎn)。在水泥凈漿攪拌機(jī)中依次加入1 350 g砂，540 g水泥，177 g水和4 g PCE。往后依次增加1 g PCE用量，如上述步驟測(cè)量其初始流動(dòng)度，直到砂漿初始流動(dòng)度不再增加為止。

2.2　粘土不同摻量下水泥膠砂的流動(dòng)性

試驗(yàn)選擇內(nèi)摻粘土等量取代標(biāo)準(zhǔn)砂，粘土摻量分別為砂的0%、3%、6%和9%，配合比如表3所示。各組PCE減水劑摻量不變，均為水泥的0.8%。砂漿水灰比為0.32，灰砂比0.4。根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》(GB/T 2419—2005)分別測(cè)定各組砂漿初拌、拌合后30 min、60 min和90 min時(shí)砂漿的流動(dòng)度。

表3　水泥膠砂配合比

2.3　粘土不同摻量的砂漿試塊各齡期強(qiáng)度

根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，將測(cè)試過(guò)90 min流動(dòng)度的砂漿裝入40 mm×40 mm×160 mm模具成型，1 d后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，分別養(yǎng)護(hù)至3 d、28 d，并測(cè)試相應(yīng)的抗折和抗壓強(qiáng)度。

3結(jié)果分析及討論

3.1　砂漿的流動(dòng)度

砂漿不同時(shí)期的流動(dòng)度如表4所示，從中可以看出，砂漿的流動(dòng)性隨著時(shí)間的增長(zhǎng)有降低的趨勢(shì)。砂漿中粘土摻量越多，砂漿的初始流動(dòng)度越小。這說(shuō)明粘土對(duì)PCE的吸附量大于水泥，才導(dǎo)致砂漿的流動(dòng)性迅速降低。在1號(hào)和2號(hào)中，砂漿在0 min時(shí)的流動(dòng)度要比30 min、60 min及90 min都小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是粘土與PCE的結(jié)合速率要大于水泥[10]，當(dāng)新拌砂漿時(shí)，PCE都先與粘土結(jié)合被束縛，導(dǎo)致新拌的砂漿流動(dòng)度非常小。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，粘土對(duì)PCE的吸附力減弱，水泥開(kāi)始逐步與PCE反應(yīng)，才致使砂漿的流動(dòng)性又逐步增大，且在60 min左右PCE已于水泥反應(yīng)完畢，60 min之后時(shí)測(cè)流動(dòng)性由于經(jīng)時(shí)損失才會(huì)又逐步減小。3號(hào)中由于粘土含量過(guò)高，導(dǎo)致其初始流動(dòng)度很小，后續(xù)即使在30 min時(shí)略有所增加，由于粘土對(duì)PCE的吸附力很大，PCE無(wú)法再與水泥反應(yīng)，致使砂漿在60 min及以后也已失去了流動(dòng)性。圖1為試驗(yàn)照片。

表4　砂漿拌合后不同時(shí)間的流動(dòng)度　/mm

3.2　粘土摻量一定時(shí)PCE摻量的飽和點(diǎn)

當(dāng)骨料中的粘土含量一定時(shí)，測(cè)定向砂漿內(nèi)多加PCE能否再使流動(dòng)度達(dá)到未含粘土的砂漿的初始流動(dòng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，選取序號(hào)1的配合比，當(dāng)粘土含量為3%時(shí)，PCE初始摻量為4.3 g，測(cè)定其初始流動(dòng)度為180 mm，此后，每次向砂漿中增加1 g PCE，并測(cè)試定其初始流動(dòng)度，直到砂漿的流動(dòng)度與不含粘土的砂漿的流動(dòng)度相當(dāng)為止。此時(shí)PCE的摻量為6.3 g，其流動(dòng)度達(dá)到未摻加粘土的砂漿的流動(dòng)度220 mm，說(shuō)明此時(shí)被粘土吸附的PCE已經(jīng)被再次添加的PCE抵消，其初始流動(dòng)度已恢復(fù)正常。當(dāng)粘土含量為9%時(shí)砂漿的初始流動(dòng)度僅為115 mm，以1 g為單位逐步添加PCE。當(dāng)再向砂漿中加6.4 g PCE時(shí)，其流動(dòng)度達(dá)到最大值185 mm，即砂漿流動(dòng)度已經(jīng)達(dá)到飽和狀態(tài)。理論上，當(dāng)砂漿中粘土含量大時(shí)，需要更多的PCE與之反應(yīng)，反應(yīng)剩下的PCE繼續(xù)與水泥反應(yīng)，致使砂漿的初始流動(dòng)度恢復(fù)與未含粘土的砂漿的初始流動(dòng)度相同，但實(shí)際試驗(yàn)中卻與之相悖，砂漿的初始流動(dòng)度增加到一定程度以后便不再增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，粘土吸附PCE后形成的物質(zhì)會(huì)阻礙砂漿流動(dòng)。當(dāng)粘土含量少時(shí)，生成物量少，阻礙流動(dòng)性不明顯；當(dāng)粘土含量達(dá)到9%時(shí)，粘土與PCE反應(yīng)的生成物量大，致使砂漿的流動(dòng)性無(wú)法再隨PCE的增加而增加。

表5　不同PCE含量的砂漿流動(dòng)度　/mm

3.3　砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度

圖2和圖3為各砂漿試塊3 d、28 d的抗折和抗壓強(qiáng)度，從中可以看出，3 d時(shí)，粘土含量3%與6%的試塊的抗折強(qiáng)度與不含粘土的試塊接近，但含量9%的試塊抗折強(qiáng)度明顯低于其他3組；28 d時(shí)試塊的抗折強(qiáng)度隨含粘土量的增加而明顯降低，分別降低了8%、14.6%和27%。3 d時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度隨著粘土含量的增大依次減小，分別降低了10.7%、17%和19.7%，強(qiáng)度降低相當(dāng)明顯；28 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度相差不多?？梢?jiàn)粘土對(duì)砂漿的28 d抗折強(qiáng)度影響較大，而對(duì)早期抗壓強(qiáng)度影響明顯。分析原因可能是：粘土沒(méi)有膠結(jié)能力，但由于粒度較小，在水泥砂漿中存在微集料效應(yīng)，可以改善顆粒級(jí)配?？拐蹚?qiáng)度和抗壓強(qiáng)度雖然都與膠凝材料強(qiáng)度有關(guān)，但抗折強(qiáng)度受漿體的缺陷影響更為顯著，而抗壓強(qiáng)度受顆粒級(jí)配影響更為顯著。粘土顆粒相對(duì)水泥水化產(chǎn)物及集料而言可以作為缺陷考慮。因此抗折強(qiáng)度隨粘土摻量增加而降低；對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，由于顆粒級(jí)配的改善，抗壓強(qiáng)度變化不顯著。

4結(jié)論

a.粘土對(duì)PCE的減水效果有較大影響，尤其是當(dāng)粘土含量超過(guò)9%時(shí)，砂漿的初始流動(dòng)度顯著降低。

b.粘土優(yōu)先于水泥吸附PCE，致使砂漿在60 min以后的流動(dòng)度較之前略有所增加。

c.當(dāng)粘土含量低于6%時(shí)，增加PCE的摻量可以使砂漿的流動(dòng)度達(dá)到原始流動(dòng)度。當(dāng)粘土含量過(guò)高時(shí)，即使再向砂漿中加PCE，也無(wú)法使流動(dòng)度恢復(fù)。

d.砂漿的早期抗折強(qiáng)度在粘土摻量6%以內(nèi)時(shí)變化不顯著，摻量大于6%后抗折強(qiáng)度顯著降低，但抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著粘土摻量的增加而顯著降低。砂漿的后期抗折強(qiáng)度隨著粘土摻量的增加顯著降低，而抗壓強(qiáng)度變化不顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]Collepardi M,Valentn M.Recent Developments in Superplasticizers[A].8th CANMET/AC International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete[C].New Orleans:American Concrete Institute,2006:1-14.

[2]Spriratos N,Jolicorur C.Trends in Chemical Admixtures for the Twenty-First Century[A].6th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete[C].New York:American Concrete Institute,2000:1-16.

[3]Yamada K.Hanehara S,Horma K.Effect of the Chemical Structure on the Properties of Polycarboxylate Type Superplaticizer[J].Cem Concr Res,2000,30(2):197-207.

[4]Kinoshita M,Suzuki T,Soeda K,etal.Properties of Methacrylic Water Soluble Polymer as a Superplasticizer for Ultra High-Strength Concrete[A].5th CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixture in Concrete[C].New Orleans:American Concrete Institute.1997,SP-173:143-162.

[5]楊靜，覃維祖.粉煤灰對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，1999,9(2)：218-222.

[6]Miao C W,Tian Ran Q P,etal.Influence of Polycarboxy-late-based Superplasticizer on the Microstructure of Concrete[A].1st International Conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites China[C].Rilem Publications S.A.R.L,2008:667-676.

[7]Sakai E.Constructions of the Concrete Industry Toward Sustainable Development[A].Sustainable Construction Materials and Construction Materials and Technologies Coventry[C].[s.n.],2007.

[8]李永德.高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].混凝土，2002(9):10-13.

[9]楊伯科.混凝土實(shí)用新技術(shù)手冊(cè)[M].吉林,吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1991.

[10]王子明，程勛，李明東.不同粘土對(duì)聚羧酸系減水劑應(yīng)用性能的影響[J].商品混凝土，2010(3):24-27.

[11]張麗超.骨料中含泥量對(duì)聚羧酸系外加劑工作性能影響的研究[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013,14(3)：4-7.

[12]黃天勇，王棟民，候云芬，等.粘土及石灰石粉對(duì)水泥漿體性能的影響[J].混凝土，2014(7):76-79,84.

Research of the Impact of Clay to the Poly Carboxylic Acid

LIHong,LIYue,WUMiao-ke,LIUXiong-fei

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,

Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Abstract:This paper studies the impact of different clay content on the flowability of mortar with poly carboxylate acid.Compressive and flexural strength of the mortar in 3 d and 28 d are also researched.The results show that,compared with the mortar without clay,when the clay content of mortar is 3%,6% and 9%,the initial fluidity decrease for 20%,40% and 52%,compression strength of 3 d decrease for 10.7%,17% and 19.7%,flexural strength of 28 d decrease for 8%,14.6% and 27% respectively.The exist of the clay decreased the work of poly carboxylate acid and the compressive and flexural strength of the mortar.

Key words:poly carboxylic acid;clay;fluidity;strength

作者簡(jiǎn)介：李虹(1991-)，碩士生.E-mail:lihong8010@163.com

收稿日期：2015-10-10.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.002