硅藻土負(fù)載聚羧酸系減水劑實(shí)驗(yàn)研究

帥 歡 沈 杰

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；2.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)教育學(xué)院，北京 100042）

0 引言

混凝土是由膠凝材料將骨料膠結(jié)成一個整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱，是目前世界上使用量最大，并且使用范圍最廣的建筑材料，廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑等土木工程中。其中的膠凝材料、砂漿、骨料、外加劑的優(yōu)劣都會直接嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。因此保證混凝土各個原料的質(zhì)量是決定整體混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量最重要的因素之一［1-3］。減水劑作為混凝土外加劑的一種，既可以單獨(dú)使用，也可以和其他的外加劑復(fù)合使用，可以改善拌合混凝土的相應(yīng)性質(zhì)。

1 設(shè)計(jì)思路

減水劑的作用主要通過2種方法來表現(xiàn)，一種是在保證水泥砂漿各項(xiàng)的配比不發(fā)生改變的情況下，減水劑的加入可以顯著地增加混凝土拌合物的保坍性以及和易性；另一種則是在保證混凝土拌合物的保坍性以及和易性不發(fā)生改變的情況下，顯著減少拌合所用的水量，達(dá)到節(jié)約用水的目的，并且還能達(dá)到提高混凝土強(qiáng)度和耐久性的目的，降低因?yàn)樗嗟乃献饔枚鴰淼氖湛s、裂變以及熱變形等現(xiàn)象［4-9］。

目前，在使用聚羧酸系減水劑之前，都是通過與水混合來溶解減水劑，再加到混合好的水泥砂漿中，以達(dá)到分散的作用。因?yàn)樽鳛榉垠w的減水劑在加入水泥以及砂中時，較難攪拌均勻，所以需要與水混合。但是這樣的步驟會極大地增加運(yùn)輸成本，液體的運(yùn)輸是需要利用大集裝罐子，運(yùn)輸成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固體運(yùn)輸，并且其運(yùn)輸?shù)囊后w中有一部分是水，作為有效成分的減水劑只占了其中一部分［10-14］。

針對以上問題，筆者進(jìn)行了利用硅藻土的多孔結(jié)構(gòu)吸附聚羧酸系減水劑的研究。這是因?yàn)橐环矫?，硅藻土顆粒粒徑較大，能夠較容易地與水泥混合均勻，從運(yùn)輸?shù)某杀痉矫婵紤]，負(fù)載后的減水劑是固體，運(yùn)輸固體的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)要低于運(yùn)輸液體的成本［15］。另一方面，硅藻土負(fù)載減水劑之后，可以直接與水泥、砂混合均勻之后，再加水?dāng)嚢?，可以達(dá)到工業(yè)水泥應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這一過程在工業(yè)生產(chǎn)中是在攪拌機(jī)或者帶有攪拌器的運(yùn)輸車中進(jìn)行的，在混合均勻之后再與水進(jìn)行攪拌，極大程度上減少了所要攪拌的時間，減小攪拌對機(jī)器的磨損，延長攪拌機(jī)或者攪拌器的使用壽命，也更加契合綠色環(huán)保這一理念。

本實(shí)驗(yàn)旨在通過負(fù)載的方式，在不降低混凝土一系列使用性能或是降低幅度在可接受的情況下，來降低聚羧酸系減水劑運(yùn)輸所需的成本以及對攪拌機(jī)或攪拌器的磨損程度，包括混凝土的坍落度測試與混凝土的抗壓強(qiáng)度測試。利用硅藻土負(fù)載減水劑實(shí)現(xiàn)了減水劑由液體向固體的轉(zhuǎn)變，大大降低了工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)輸減水劑的成本。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2．1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原料：硅藻土（廣州金榮化工有限公司）、水泥（復(fù)合硅酸鹽水泥P.C42）、聚羧酸系減水劑（有效成分為40%）、砂（經(jīng)過篩選過濾的細(xì)砂）。

2．2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟：（1）干燥硅藻土；（2）硅藻土負(fù)載聚羧酸系減水劑；（3）測定混凝土坍落度；（4）測試相同攪拌時間情況下的負(fù)載前后硅藻土-減水劑混凝土坍落度；（5）測試負(fù)載前后混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（1）干燥硅藻土。利用烘箱干燥所得硅藻土，除去水分，目的是使硅藻土能夠充分吸附聚羧酸系減水劑；溫度150℃，干燥24 h；冷卻后用密封袋裝好備用。

（2）硅藻土負(fù)載聚羧酸系減水劑。在燒杯中加入稱量好的硅藻土，緩緩加入聚羧酸系減水劑，并利用玻璃棒不斷攪拌，直到硅藻土不再吸附減水劑為止。測試出硅藻土吸附減水劑的最佳比例（即硅藻土吸附減水劑的最值，理論上來說吸附得越多，做出來的效果越好），要求負(fù)載后的硅藻土干爽，不出現(xiàn)團(tuán)聚，成干粉狀。

（3）測定混凝土坍落度。將所得到的負(fù)載后的硅藻土-減水劑，按照一定比例加入水泥、砂，混合攪拌均勻，利用混凝土坍落度測試儀，測量負(fù)載前后的硅藻土-減水劑混凝土坍落度以及不加減水劑的混凝土坍落度，比較并分析。

（4）測試相同攪拌時間情況下負(fù)載前后硅藻土-減水劑混凝土坍落度。按比例混合均勻水泥、砂以及減水劑之后，加水，攪拌相同的時間，測試相同攪拌時間情況下的負(fù)載前后硅藻土-減水劑混凝土坍落度，比較并分析。

（5）測試負(fù)載前后混凝土的抗壓強(qiáng)度。將按比例混合好的混凝土裝進(jìn)模具里面，自然干燥3 d后，測試負(fù)載前后混凝土的抗壓強(qiáng)度，比較并分析。

實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 減水劑負(fù)載于硅藻土定量分析

經(jīng)過150℃烘箱干燥24 h后，原樣硅藻土失去部分結(jié)構(gòu)水；稱量的300 g硅藻土失去21 g結(jié)構(gòu)水，失重7%。正是由于失去這部分水分，減水劑才能更好地負(fù)載于硅藻土上，負(fù)載之后的硅藻土要求干爽，不出現(xiàn)團(tuán)聚，成干粉狀，并且所負(fù)載的減水劑的量盡可能地大。負(fù)載前硅藻土外觀如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)過程中，先稱量30 g硅藻土置于燒杯中，然后依次加入10 g硅藻土，直至硅藻土干爽且無團(tuán)聚，可測得減水劑溶于硅藻土的最佳比例，實(shí)驗(yàn)證明硅藻土與減水劑質(zhì)量比為1∶1時，效果較好。負(fù)載后硅藻土如圖3所示。

由圖2可以看出，干燥后的硅藻土顏色較白，顆粒較細(xì)且均勻；圖3是硅藻土與減水劑質(zhì)量比為1∶1混合之后的狀態(tài)，顏色由白色變?yōu)楹稚?，無團(tuán)聚現(xiàn)象，顆粒大小分布均勻，證明減水劑已經(jīng)較好地負(fù)載于硅藻土上。

圖2 負(fù)載前硅藻土

圖3 負(fù)載后硅藻土

加入的減水劑稍過量，硅藻土負(fù)載過程中出現(xiàn)團(tuán)聚、結(jié)塊，負(fù)載效果不好，無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。因此本實(shí)驗(yàn)中的負(fù)載后減水劑，均為負(fù)載效果較好的硅藻土與減水劑質(zhì)量比為1∶1的負(fù)載后硅藻土。

圖4 過量減水劑后的硅藻土

3．2 電子顯微鏡掃描

在減水劑負(fù)載于硅藻土之后，為了能夠清晰地看出實(shí)驗(yàn)的微觀形貌，對負(fù)載前后的減水劑做了掃描電子顯微鏡的測試分析。圖5、圖7為負(fù)載前純樣硅藻土；圖6、圖8為負(fù)載后硅藻土。以下實(shí)驗(yàn)均是利用本次掃描電子顯微鏡的2組樣品進(jìn)行。

圖5 負(fù)載前純樣硅藻土（10μm）

圖6 負(fù)載后硅藻土（10μm）

圖7 負(fù)載前純樣硅藻土（5μm）

圖8 負(fù)載后硅藻土（5μm）

從圖5與圖6中可以看出，硅藻土很多已經(jīng)破碎，都有一部分碎屑，這可能與攪拌過程有關(guān)，但是用同一批的硅藻土來做負(fù)載實(shí)驗(yàn)，破碎的硅藻土不會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，本次掃描電子顯微鏡中，找到了相對完整的硅藻土顆粒，做出了圖7與圖8，通過增加放大倍數(shù)，可以更加清晰地看出硅藻土中的孔徑負(fù)載情況。

從掃描電鏡看出，圖7純樣的圓盤狀硅藻土具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)，并且空隙完整空曠，從而決定了它具有良好的吸附性。對比可以發(fā)現(xiàn)，圖8硅藻土顆粒表面有1層油膩狀的液體，孔徑被填充，說明硅藻土顆粒表面和孔道均負(fù)載了聚羧酸系減水劑，硅藻土對聚羧酸系減水劑起一定的負(fù)載作用。但是仍然有一部分的空隙沒有被填滿，這是由于硅藻土中的結(jié)構(gòu)水沒有被完全剝離出去，仍然有一部分占據(jù)著孔徑，導(dǎo)致聚羧酸系減水劑無法進(jìn)入孔徑；也有可能是因?yàn)樨?fù)載的質(zhì)量比并不是最佳配比，由于時間有限，無法做出更多的質(zhì)量梯度來找出最佳的硅藻土與減水劑質(zhì)量比。盡管部分孔徑未被填滿，但是不影響下面實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

3．3 混凝土坍落度測試

利用所得的負(fù)載前后的硅藻土做混凝土坍落度測試，坍落度測試按照水泥：砂：減水劑＝1：3：5‰的比例混合攪拌均勻，加入一定量的水，測試混凝土坍落度，一共設(shè)置3個對照組，分別為不加減水劑組、加減水劑組、加負(fù)載后減水劑組，其中加減水劑組與加負(fù)載后減水劑組的減水劑有效成分相同。

混凝土使用過程中，原料配比中有骨料，本次實(shí)驗(yàn)的所有對照組均未添加骨料，因此已經(jīng)排除了骨料對本次實(shí)驗(yàn)的影響；但是其他實(shí)驗(yàn)中，測試混凝土坍落度是會添加骨料的，骨料起到支撐保護(hù)作用，能夠有效地提高混凝土的坍落度。因此本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅可以作為組內(nèi)對照使用，與其他實(shí)驗(yàn)對比有差異?；炷撂涠葴y試結(jié)果如表1所示。磨損。目前工業(yè)混凝土都是通過卡車運(yùn)載攪拌器運(yùn)輸，攪拌器里充滿了所需要的原料，為了保證到達(dá)施工現(xiàn)場就可以使用混凝土，攪拌器一直處于工作狀態(tài)，以保證混凝土能夠隨時投入生產(chǎn)。正常的混凝土原料含有骨料，而骨料質(zhì)硬，對攪拌器的磨損嚴(yán)重。但是如果原來需要攪拌5 min的原料，通過利用硅藻土負(fù)載之后，只需要3 min就可以達(dá)到相同的狀態(tài)，則有效地降低了對于攪拌器的磨損，進(jìn)一步降低了成本。

表1 混凝土坍落度測試結(jié)果

基于上述考慮，實(shí)驗(yàn)的下一步則是通過測試相同攪拌時間下的負(fù)載前后減水劑的坍落度，對比出負(fù)載后的減水劑能否有效實(shí)現(xiàn)減少攪拌時間這一目的。

3．4 攪拌相同時間混凝土坍落度對比分析

通過上述分析，這一步實(shí)驗(yàn)過程清晰，就是測試攪拌相同時間混凝土坍落度，坍落度測試按照水泥：砂：減水劑＝1∶3∶5‰的比例混合，以保證可以與上一組測試的結(jié)果進(jìn)行對比。稱量好原料之后，先攪拌均勻，再加入適量的水，加水之后攪拌時間相同，測試混凝土坍落度，設(shè)置2個對照組，第1組為加減水劑組，第2組為負(fù)載后減水劑組，其中加入減水劑組與加負(fù)載后減水劑組的減水劑有效成分相同。測試結(jié)果如表2所示。

表2 攪拌相同時間混凝土坍落度測試結(jié)果

表1中，第2組中減水劑為負(fù)載前的純的減水劑，第3組中減水劑為負(fù)載后減水劑，其中硅藻土減水劑為1∶1，即第2組與第3組減水劑的有效成分相等；作為對照，第2組中同樣加入了80 g硅藻土，但是同水泥一起加入，沒有負(fù)載。加水之后的攪拌時間為每一組的混凝土狀態(tài)均勻，適合做坍落度測試。

通過表1可以看出，聚羧酸系減水劑的減水效果明顯，不論負(fù)載前后的減水劑，只要有減水劑組，平均坍落度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比未加減水劑的好很多，而負(fù)載后的減水劑效果沒有純的減水劑效果好，這與硅藻土釋放減水劑的能力有關(guān)，即負(fù)載后的減水劑并不一定能夠全部釋放；但是減少的效果仍然在可控允許的范圍內(nèi)。

本組實(shí)驗(yàn)證明了聚羧酸系減水劑可以在被硅藻土負(fù)載的前提下，加入混凝土拌合時不會顯著降低混凝土的使用性能，這也說明了僅對減水劑的運(yùn)輸，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從液體到固體的轉(zhuǎn)變。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹薪档瓦\(yùn)輸成本這一條，已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)的方法證明是可行的，這也為下一步實(shí)驗(yàn)提供了方向。

從實(shí)驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)，下一步則是考慮負(fù)載后的減水劑能否有效地降低混凝土對攪拌機(jī)或者攪拌器的

通過表2可以看出，在攪拌時間相同的情況下，負(fù)載后的減水劑組效果優(yōu)于直接加減水劑組。負(fù)載之后的減水劑是同水泥一起加入且混合均勻的，減少了加水之后攪拌時間，在工業(yè)上有利于降低對攪拌器或攪拌機(jī)的磨損，達(dá)到了降低成本的目的。

將本組數(shù)據(jù)與上組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，減少攪拌時間之后，沒有負(fù)載的減水劑組，坍落度損失比負(fù)載之后的減水劑組多，減少攪拌時間對未負(fù)載減水劑組影響大。負(fù)載之后的減水劑組能夠有效地降低攪拌時間。

3．5 負(fù)載前后減水劑制成混凝土抗壓強(qiáng)度對比

將前面所得混凝土裝入30 mm×30 mm模具中，常溫下放置3 d后，測試混凝土的抗壓強(qiáng)度，設(shè)置2個對照組，第1組為加減水劑組，第2組為負(fù)載后減水劑組，其中加入減水劑組與加負(fù)載后減水劑組的減水劑有效成分相同。測試結(jié)果如表3所示。

表3 （續(xù)）

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果

通過對比可以發(fā)現(xiàn)負(fù)載后的減水劑組的最大壓縮力和抗壓強(qiáng)度，略高于直接減水劑組，負(fù)載之后沒有對混凝土的性能造成影響，相反有增強(qiáng)效果。

4 結(jié)論

筆者采用固體負(fù)載液體的方法，以硅藻土礦物為載體，負(fù)載聚羧酸系減水劑，制備出由硅藻土負(fù)載的減水劑。通過掃描電子顯微鏡、混凝土坍落度測試、混凝土抗壓強(qiáng)度測試等檢測手段對負(fù)載前后減水劑的性能進(jìn)行了表征分析，獲得結(jié)論如下：

（1）通過依次向硅藻土中加入少量減水劑，直到達(dá)到硅藻土負(fù)載上限，無法負(fù)載，產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，得出在硅藻土與減水劑質(zhì)量比為1∶1時，負(fù)載效果較好，負(fù)載之后不出現(xiàn)團(tuán)聚，負(fù)載量較大。

（2）通過電子顯微鏡掃描圖可以發(fā)現(xiàn)，減水劑能夠較好地負(fù)載在硅藻土上面，孔徑中能夠較好地負(fù)載減水劑，從微觀上證明了硅藻土負(fù)載減水劑的可行性。盡管仍然有部分孔洞被結(jié)構(gòu)水占據(jù)，但是并不影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

（3）通過混凝土坍落度測試結(jié)果可以看出，負(fù)載之后硅藻土的效果有一定的損失，這與硅藻土不能夠完全釋放減水劑有關(guān)，但是損失的范圍在可控范圍之內(nèi)。這一步有效地實(shí)現(xiàn)了聚羧酸系減水劑由液體向固體的轉(zhuǎn)變。

（4）在攪拌時間相同的情況下，負(fù)載之后硅藻土的坍落度效果要優(yōu)于直接加入減水劑組，也就是說負(fù)載之后的硅藻土能夠有效減少混凝土原料所需攪拌的時間，能夠降低混凝土攪拌過程中對攪拌器的磨損，達(dá)到降低損耗的目的。

（5）從混凝土抗壓實(shí)驗(yàn)的測試結(jié)果來看，負(fù)載之后硅藻土組的混凝土強(qiáng)度比負(fù)載之前硅藻土組的強(qiáng)度高，有一定的增強(qiáng)效果。

通過以上分析，可以看出，硅藻土負(fù)載減水劑的最佳質(zhì)量比為1∶1，減水劑被負(fù)載于硅藻土的孔洞結(jié)構(gòu)中，負(fù)載之后硅藻土在充分?jǐn)嚢璧那闆r下，坍落度有一點(diǎn)兒損失，但是在攪拌時間相同的情況下，負(fù)載之后硅藻土的坍落度表現(xiàn)要優(yōu)于沒有負(fù)載于硅藻土的減水劑組，并且抗壓強(qiáng)度性能，也是優(yōu)于沒有負(fù)載于硅藻土的減水劑組，證明了硅藻土負(fù)載聚羧酸系減水劑的可行性。