堿當(dāng)量對(duì)減水劑在NaOH-礦渣水泥體系中吸附性能的影響研究

孫棟梁

（西卡四川建筑材料有限公司，重慶 402283）

0 引言

為了使水泥混凝土拌合物具有適宜的工作性能、力學(xué)性能、長(zhǎng)期性和耐久性能，常在水泥混凝土體系中加入外加劑，減水劑是其中重要的一類。減水劑屬于一類表面活性劑，其最重要的性質(zhì)就是可降低體系表面自由能，對(duì)固相-液相界面來(lái)說(shuō)，礦物顆粒表面固有的形狀不能改變，因此表面能降低往往表現(xiàn)為對(duì)液體中表面活性劑的吸附行為[1]。在加入減水劑的堿礦渣水泥體系中，減水劑分子吸附在礦渣顆粒表面改變了界面的水化膜層結(jié)構(gòu)、表面帶電特性和水泥水化進(jìn)程等。換言之，研究減水劑分子在堿礦渣水泥體系中的作用機(jī)理就是研究堿-礦渣-減水劑-水體系的物理化學(xué)現(xiàn)象及其變化規(guī)律[1-2]。

已有的研究對(duì)減水劑在不同溶液環(huán)境中的特征吸收光譜分析證明[3]，在高濃度的堿溶液環(huán)境中，木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑在堿礦渣水泥體系中能保持穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，而在普通硅酸鹽水泥體系中適應(yīng)性良好的聚羧酸系（PC）減水劑的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)遭到破壞，不能發(fā)揮減水塑化作用。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]并未提及不同堿溶液濃度對(duì)減水劑吸附特性的影響，而在堿礦渣膠凝材料配合比設(shè)計(jì)中，堿組分用量應(yīng)是首先確定的參數(shù)，堿組分用量不僅影響堿礦渣膠凝材料的拌合物性能，還影響其力學(xué)性能、長(zhǎng)期性能和耐久性能，因此討論堿組分用量對(duì)減水劑吸附特性的影響尤為重要。由于聚羧酸系（PC）減水劑長(zhǎng)支鏈被解體[3]，這種結(jié)構(gòu)的變化破壞了該減水劑的表面活性劑功能，不能繼續(xù)提供有效的減水塑化作用，因此，本文選取了木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑，進(jìn)一步研究堿組分用量對(duì)減水劑在NaOH-礦渣水泥體系中的吸附性能的影響。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 厡材料

礦渣（Slag）：比表面積為445m2/kg，密度為2.90g/cm3，化學(xué)成分如表1所示。

表1 原材料的化學(xué)成分

堿組分：實(shí)驗(yàn)用堿組分由某公司生產(chǎn)的氫氧化鈉提供，NaOH含量大于99%。

減水劑：（1）木鈣系（CL），陰離子型表面活性劑，粉末；（2）萘系（FDN），陰離子型表面活性劑，粉末；（3）氨基磺酸鹽系（AS），陰離子型表面活性劑，液體，固含量33.6%。

水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）吸附量測(cè)試方法

儀器：TU1901紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

原理：朗伯-比爾定律[4]。

制備：分別將木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑和膠材配置成一定濃度的懸濁液，攪拌240s，離心機(jī)分離，將過(guò)濾澄清液稀釋500倍，備用。

測(cè)試環(huán)境溫度：20℃。

礦水比：1∶4。

膠凝材料：10g。

（2）動(dòng)電電位測(cè)試方法

儀器：Nano ZS90納米粒度-ZETA電位分析儀。

制備：分別將木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑和膠材配置成一定濃度的懸濁液，攪拌240s，立即將懸濁液注入電泳槽中[5-6]。

測(cè)試環(huán)境溫度：20℃。

礦水比：1∶250。

膠凝材料：2g。

1.3 試驗(yàn)配合比

本次研究中，堿礦渣水泥體系使用的堿組分為NaOH，以堿（Na2O）當(dāng)量控制其摻量。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 堿當(dāng)量不同時(shí)，減水劑在NaOH-礦渣水泥顆粒表面的吸附量（圖1）

圖1 堿當(dāng)量不同時(shí)，減水劑在NaOH-礦渣水泥顆粒表面的吸附曲線

由圖1可以看出，在NaOH-礦渣水泥體系中，當(dāng)氧化鈉當(dāng)量在0～6%范圍時(shí)，礦渣顆粒對(duì)木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑的吸附能力隨堿當(dāng)量的增大而減小。

（1）木鈣系（CL）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，減水劑在NaOH-渣顆粒表面的吸附量為1.6mg/g，比不摻堿組分時(shí)降低了32%；

（2）萘系（FDN）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，減水劑在NaOH-渣顆粒表面的吸附量為3.0mg/g，比不摻堿組分時(shí)降低了35%；

（3）氨基磺酸鹽系（AS）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，減水劑在NaOH-渣顆粒表面的吸附量為1.8mg/g，比不摻堿組分時(shí)降低了30%。

NaOH-礦渣水泥體系的堿組分在溶液環(huán)境中電離、水解后產(chǎn)生Na+、OH-，降低了水的表面自由能[2]，吸附在固體顆粒表面。此外，水解產(chǎn)生的OH-確定了體系水化產(chǎn)物的電勢(shì)，在礦物顆粒表面形成減水劑分子和OH-離子的競(jìng)爭(zhēng)吸附，OH-離子搶占了減水劑分子的吸附點(diǎn)，固體顆粒表面負(fù)電荷的絕對(duì)值增大，使礦物顆粒對(duì)減水劑帶電基團(tuán)的靜電斥力作用增強(qiáng)。所以，隨著堿當(dāng)量的增大，溶液環(huán)境中OH-增多，靜電斥力作用增強(qiáng)，礦物顆粒吸附陰離子型表面活性劑的量就減小[7-8]。

對(duì)不同種類減水劑而言，堿當(dāng)量對(duì)其在NaOH-礦渣體系中的吸附量的影響也不同，這與減水劑分子特有的結(jié)構(gòu)有關(guān)[9]，木鈣系（CL）減水劑分子含有、-O-和大量的-OH，在溶液環(huán)境中容易水解成大分子兩性離子，在礦物顆粒表面以剛性鏈垂直吸附的形式附著，使固體粒子帶上同種電荷，從而靜電斥力作用使礦物粒子分散；萘系（FDN）減水劑分子中含有、大π鍵，單環(huán)、多環(huán)、雜環(huán)芳烴，在多相非均勻溶液體系中，以柔性鏈橫臥吸附在固體顆粒表面附著，產(chǎn)生較強(qiáng)的分散作用；氨基磺酸鹽系（AS）減水劑分子、-NH2和一定量的-OH，吸附形式則主要以柔性鏈齒狀為主。

2.2 堿當(dāng)量對(duì)減水劑在堿礦渣水泥顆粒表面動(dòng)電電位的影響

在NaOH-礦渣-水懸濁液體系中，礦物玻璃體在水化初期解體形成雙電層，產(chǎn)生動(dòng)電電位，體系狀態(tài)屬于分散或凝聚是由表面的帶電狀態(tài)決定的，NaOH-礦渣系統(tǒng)帶電性質(zhì)的綜合指標(biāo)可用動(dòng)電電位值表征[6]。在懸濁液體系中，礦物粒子發(fā)生水解、解離、吸附等作用，使固體粒子表面帶電，帶電粒子在靜電場(chǎng)作用下作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而表現(xiàn)出動(dòng)電電位，礦物粒子帶電后產(chǎn)生的靜電斥力作用是懸濁液體系的分散狀態(tài)能夠穩(wěn)定保持的重要原因[10]。

由圖2可以看出，氧化鈉當(dāng)量在0～6%的范圍時(shí)，水泥顆粒表面的動(dòng)電電位絕對(duì)值隨氧化鈉當(dāng)量的增大而增大。

圖2 堿當(dāng)量對(duì)減水劑在堿礦渣水泥顆粒表面動(dòng)電電位的影響

（1）木鈣系（CL）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，體系中NaOH-礦渣顆粒表面的動(dòng)電電位為-24.1mV，比不摻堿組分時(shí)增大了35%；

（2）萘系（FDN）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，體系中NaOH-礦渣顆粒表面的動(dòng)電電位為-30.6mV，比不摻堿組分時(shí)增大了39%；

（3）氨基磺酸鹽系（AS）減水劑組，堿當(dāng)量為6%時(shí)，體系中NaOH-礦渣顆粒表面的動(dòng)電電位絕為-26.1mV，比不摻堿組分時(shí)增大了42%。

堿組分（NaOH）的摻入使減水劑分子在礦物顆粒表面的吸附量減小，但卻增大了固體粒子表面的動(dòng)電電位，這與堿組分（NaOH）參與形成礦物粒子表面的擴(kuò)散雙電層有關(guān)：首先，NaOH-礦渣水泥體系的堿組分（NaOH）在水中電離、水解后生成OH-，大量的OH-進(jìn)入界面雙電層內(nèi)增厚了擴(kuò)散層，固體顆粒表面的負(fù)電荷增強(qiáng)；其次，隨著OH-參與固體粒子表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附，減水劑分子的吸附點(diǎn)被OH-搶占，因此減水劑分子對(duì)懸濁液體系動(dòng)電電位的貢獻(xiàn)進(jìn)一步減小，堿組分加入對(duì)體系動(dòng)電電位的增強(qiáng)作用強(qiáng)于減水劑吸附量減少引起的動(dòng)電電位損失，綜合表現(xiàn)為水泥顆粒表面的動(dòng)電電位絕對(duì)值隨氧化鈉當(dāng)量的增大而增大。

3 結(jié)論

通過(guò)堿當(dāng)量對(duì)減水劑在NaOH-礦渣水泥體系中的吸附性能的影響研究，得出以下結(jié)論：

（1）在NaOH-礦渣水泥體系中，分別加入木鈣系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸鹽系（AS）減水劑，礦渣顆粒對(duì)各減水劑的吸附作用隨堿當(dāng)量的增大而減小：堿當(dāng)量為6%時(shí)，比不摻堿組分時(shí)降低30%以上；水泥顆粒表面的動(dòng)電電位絕對(duì)值隨堿當(dāng)量的增大而增大：堿當(dāng)量為6%時(shí)，比不摻堿組分時(shí)增大了35%以上。

（2）堿組分的摻入使減水劑分子在礦物顆粒表面的吸附量減小，卻增大了固體粒子表面的動(dòng)電電位，這與堿組分參與形成礦物粒子表面的擴(kuò)散雙電層有關(guān)。