减水保塑剂的研制与应用技术总结.doc

减水保塑剂的研制开发与应用技术总结1 减水保塑剂的研发机理摘要：本文研究了矿粉对高效减水剂的吸附与解析的过程；用矿物质粉体为减水剂载体，吸附减水剂之后，经过干燥、粉碎，得到矿粉减水剂（或称减水保塑剂）。将其掺入水泥浆中或混凝土中，能增大净浆流动度或混凝土坍落度的损失。关键词：矿粉减水剂 载体 净浆流动度 混凝土坍落度1.1 引言当前我国的高效减水剂有萘系、三聚氰胺系、氨基磺酸盐系及聚羧酸系四大类。前两系列的减水剂拌制混凝土时，混凝土的坍落度损失快，不利于泵送施工及夏季施工；聚羧酸系列减水剂也需要掺入缓凝剂以后，才能有效的控制坍落度损失；氨基磺酸盐系高效减水剂，虽然控制坍落度损失功能好，但掺量稍高，则易泌水，也不利于混凝土泵送施工，影响混凝土质量。减水保塑剂是在原有专利的基础上，进一步研究了矿粉对高效减水剂的吸附与解吸作用，发现利用某种矿粉为减水剂的载体，在减水剂溶液中能吸附减水剂；而吸收了减水剂的矿粉再投入到水中，被吸附的减水剂又能缓慢解吸释放出来。因此，利用这种矿粉减水剂掺入混凝土中，既可以增大坍落度，又可以控制坍落度的经时损失。而且即使掺量偏高，也没有泌水现象，保证混凝土的流动性和均匀性。特别是如果使用的萘系减水剂的Na2SO4含量过高时，矿粉能通过离子交换，消除一部分Na+的影响。本项目所研发和生产的减水保塑剂是通过物理吸附和解吸作用而得到的，矿粉本身是一种无机材料，对混凝土无害，也无缓凝作用。试验应用证明，减水保塑剂在工程中应用的成本与现在含有缓凝型的萘系高效减水剂相当或稍高，但减水保塑剂的混凝土强度提高约10%，性能也提高。1.2 试验原材料天然矿粉：以山东潍坊产的斜发沸石制成，阳离子交换容量120mep/100g，细度通过200目。高效减水剂：萘系，代号A，普通型，粉剂，Na2SO4含量10%，减水率约20%；氨基磺酸盐系，代号B，水剂，固含量45%，减水率25%水泥：三菱牌PO 42.5；潍坊水泥（立窑）PO 32.5砂：河砂，中砂，级配合格，表观密度2600 kg/m3，松堆密度1450kg/m3石：石灰石碎石，粒径520mm，级配合格， 表观密度2650 kg/m3，松堆密度1450kg/m3水：饮用水 1.3 实验方法、实验结果与讨论实验研究工作按以下四个方面进行：矿粉对高效减水剂的吸附与解附作用；矿粉减水剂对水泥净浆流动度实验；矿粉减水剂控制混凝土坍落度损失试验；减水保塑剂的工程应用试验。1.3.1 矿粉对高效减水剂的吸附与解吸试验将矿粉100g共4份，分别放入含固量45%的水剂高效减水剂中，每隔30min将含矿粉的水剂减水剂抽滤、冲洗、烘干、称重，得到矿粉浸泡30min，60min，90min及120min后的重量。计算出矿粉对减水剂的吸附量。如表1-1所示。表1-1 矿粉对减水剂的等温吸附量（g/10g）减水剂类型时间（min）306090120A5.7B5.8将矿粉对高效减水剂吸附饱和后，得到矿粉减水剂A及B，分别取样100g，放入水中，测定30min，60min，90min及120min减水剂排放入水中的量，如表1-2所示。表1-2 矿粉减水剂在水溶液中的等温排放量（g/10g）减水剂类型时间（min）306090120A4.5B4.6按表1-1、表1-2的结果作图，得到矿粉对减水剂A和B的吸附与解吸排放曲线，如图1-1、图1-2所示。图1-1 矿粉对减水剂A的等温吸附与排放曲线累计排放量(g/10g）矿粉累计吸附量(g/10g)矿粉图1-2 矿粉对减水剂B的等温吸附与排放曲线累计吸附量(g/10g)矿粉累计排放量(g/10g）矿粉由图1-1、图1-2可见：矿粉对减水剂A、B的吸附量，在90min前几乎是线性增加；90min后基本上达到饱和状态。对减水剂饱和吸附值约5.65.8g/10g；继续延长时间，吸附量增加甚微。矿粉减水剂在水中的解吸排放量随着时间的增长不断的增加，但其排放量的极限值低于饱和吸附值。如图1-1中，排放量最大值为4.5g/10g矿粉减水剂，而吸附值为5.5g/10g矿粉；图1-2中，排放量最大值为4.2g/10g，而吸附值为5.8g/10g。也就是说，有少量的高效减水剂残留在矿粉孔隙中。1.3.2 矿粉减水剂对水泥净浆流动度的影响以水泥500g，水150ml，矿粉减水剂10g，按GB/T-8077-2000进行净浆流动度试验，测定其经时变化，结果如表1-3所示。表1-3 水泥净浆流动度(mm)的经时变化水泥品种时间(min)初始306090120三菱PO42.5238240240270260潍坊PO42.5220200200180175由表1-3可见，矿粉减水剂能有效的控制水泥净浆流动度损失。在120min内，三菱水泥净浆流动度不仅不降低，反而增大了9.2。而对潍坊立窑水泥的流动度约降低了20，可能是由于水泥中的f-CaO或C3A含量过高，造成的净浆流动性降低。1.3.3 混凝土坍落度经时变化混凝土试验的配合比如表1-4所示。测定的混凝土2h内坍落度经时变化及各龄期的强度如表1-5所示。由试验结果可见，经过2h，混凝土坍落度由200mm降至165mm，降低了17.5，但是坍落度仍在160mm以上，仍能满足施工泵送要求。表1-4 混凝土配合比单方混凝土材料用量（kg/m3）W/C注水泥粉煤灰砂碎石水矿粉减水剂350100750110018011.25（2.5）0.40三菱水泥表1-5 混凝土的坍落度经时变化及强度坍落度（mm）经时变化抗压强度（MPa）初始时间（11:20）70min（12:30）120min（13:20）3d7d28d20019016516.425.642.0本资料完整版WORD格式资料地址/tech/detailprof733113SG.htm更多技术总结房建工程精品资料推荐/tech/prof_SG461010.htm1.3.4 矿粉减水剂对混凝土坍落度损失控制机理试验证明，混凝土的坍落度损失和水泥浆的表面屈服值增大都与液相中高效减水剂的残存量（实为水泥粒子对减水剂的吸附量）。如图1-3、图1-4所示。以W/C=0.4的水泥浆，对比掺与不掺矿粉减水剂时的Zeta电位的变化，结果如图1-5所示。不含矿粉减水剂的水泥浆的Zeta电位绝对值迅速降低，30min由5.5mV降低至4.7mV，1h降低至4.2mV。但是含矿粉减水剂的水泥浆，初始由5.95mV，140min内基本上维持在6mV的水平，水泥浆保持在良好的分散状态和流动性。图1-3 坍落度经时变化与高效减水剂 图 1-4 水泥浆屈服值经时变化与高效减水剂残存浓度 残存浓度图1-5 水泥浆体中水泥颗粒表面Zeta电位经时变化由此可见，矿粉减水剂能控制净浆流动度及混凝土坍落度的经时变化，主要是由矿粉减水剂缓慢释放减水剂，维持水泥颗粒表面对减水剂的吸附量，保持水泥粒子表面的Zeta电位，使水泥粒子处于分散状态，从而维持坍落度在某一经时内基本不变。1.4 结论1. 由于某种矿粉对减水剂有吸附和解吸的作用，故可以作减水剂的载体；2. 矿粉在减水剂中，经过吸附减水剂以后，能研制出矿粉减水剂（减水保塑剂）；3. 矿粉减水剂掺入水泥净浆中，或混凝土中，能控制净浆流动度或混凝土坍落度的经时损失；4. 矿粉减水剂通过缓慢释放减水剂，补充到水泥浆中或混凝土中，维持水泥颗粒表面对减水剂的吸附量，保持表面Zeta电位的大小，维持水泥的分散状态，从而控制坍落度或流动度的经时变化；5. 矿粉减水剂完全是一种物理效应，对水泥混凝土无害。2 减水保塑剂(矿粉减水剂)的保塑机理将减水保塑剂单独掺入混凝土中，或与高效减水剂共同掺入混凝土中，除了使混凝土的坍落度增大以外，还能维持混凝土的坍落度经时3h基本上无变化，保证混凝土夏季或长距离运输的施工。本部分内容进一步阐明矿粉减水剂的保塑机理。2.1 混凝土拌合物流动性经时变化的试验。按表2-1配合比试拌15L混凝土，测定其坍落度的经时变化如图2-1所示。表2-1 试验用混凝土配合比编号 混凝土材料用量(kg/m3)矿粉减水剂水泥水砂碎石超细粉高效减水剂1500185600120002.5024751856001200252.503475185600120000304500185600120002.515注：编号1，2，4均为掺入高效减水剂;编号3不掺高效减水剂，直接掺入6%的矿粉减水剂;编号4除了掺高效减水剂0.5%外，还掺入3%的矿粉减水剂。图2-1 混凝土坍落度的经时变化由图2-1可见，NO.1，NO.2混凝土坍落度损失很快，在试验温度(32)，经过30min，坍落度降至初始坍落度的一半；而NO.3，NO.4的混凝土经过120min，坍落度仍保持原来的水平；说明矿粉减水剂单掺或与高效减水剂双掺，均能使混凝土拌合物保塑。图2-3 高效减水剂掺入前后的水泥浆结构2.2 水泥粒子的凝聚与分散图2-2 水泥粒子的凝聚与分散水泥加水拌合时，形成一种网状结构，自由水处于约束状态，流动性差。但掺入一定量的减水剂后，水泥粒子表面吸附了高效减水剂的粒子，水泥粒子在静电斥力的作用下，使网状结构破坏，把其中的自由水分释放出来，水泥浆的流动性提高。如图2-2、图2-3所示。图2-5 无机阴离子结构图2-4 萘系减水剂在水中的解离2.2.1 减水剂在水泥浆中的吸附与双电层的形成高效减水剂掺入水泥浆中后，产生解离，生成无机阴离子和金属阳离子，如图2-4所示。无机阴离子由两部分组成，一部分是有机链部分，是难溶于水而易溶于油的亲油部分；另一部分是难溶于油易溶于水的亲水部分。如图2-5所示。无机阴离子部分，借助于分子间的引力和水泥颗粒作用，被定向吸附于水泥颗粒表面。亲水端朝向水溶液，亲油端与水泥颗粒相连，也即水泥颗粒被负粒子包围，带负电。但是，整个水泥浆溶液是中性的，故介质中应有等量的反离子存在，亦即有金属Na存在。在水泥颗粒表面吸附的阴离子及溶液中的阳离子构成双电层。如图2-6所示。图2-6 水泥颗粒表面的双电层（无机阳离子和有机阴离子）水泥颗粒表面双电层形成双电层电位，或叫Zeta电位。如果考虑水泥颗粒之间的双电层电位的作用，就可以观察到水泥粒子的凝聚与分散，也就是坍落度增大与损失的机理，从中了解矿粉减水剂的作用。2.2.2. 水泥粒子间作用的总能量与粒子间距离的关系图2-7 各种条件下两粒子间相互作用能与距离的关系当具有双电层的两个水泥粒子相接近时，在水泥颗粒周围的离子会重合而产生静电斥力；此外，水泥颗粒之间还受范德华引力作用。这两种力(或位能)都是粒子间的函数。以VA表示水泥两粒子间的范德华引力，VR表示水泥两粒子间的静电斥力。将VA与VR作用，如图2-7所示。图2-7中横坐标表示两粒子间的距离；纵坐标时表示粒子之间具有的位能。VA是范德华引力位能随距离的变化曲线；VR为静电斥力未能随距离变化的曲线，斥力作用仅限于双电层的范围内，双电层以外就不存在了。两粒子间相互作用的总位能V与距离的关系，由VA及VR两条曲线叠加而得。图2-7(a)在曲线上形成极大值Vmax，图中c点是能量最小的状态，也就是平衡状态，意味着两粒子合并在一起，也就是凝聚。但如果两粒子间距离为a，由a运动至c必须经过b点，也即要翻越能峰Vmax，Vmax是阻碍水泥粒子产生凝聚的位垒。图2-7(b)是不存在极大值的情况，容易产生凝聚。图2-7(c)表示由于布朗运动而引起碰撞粒子凝聚的情况。由此可见，粒子的分散与凝聚，取决于能峰的大小，而能峰的大小又由VR曲线(双电层斥力的位能曲线)来决定。这又与水泥颗粒表面对减水剂吸附的量的大小有关，能不断补充减水剂消耗，维持水泥粒子间的双电层斥力，就能维持坍落度，即能保塑。2.3 混凝土坍落度损失与高效减水剂含量的关系图2-8 高效减水剂(SP)的残存量与坍落度的经时变化图2-9 水泥浆屈服值经时变化与高效减水剂(SP)残存浓度日本的服部健一等人研究了混凝土拌合物中高效减水剂含量变化与坍落度变化的关系如图2-8所示：图2-10 减水剂的添加与坍落度损失模式图随着混凝土中高效减水剂残存量的降低，坍落度损失加快，如图2-9所示。随着SP的下降，水泥浆的屈服值迅速增大，也即坍落度损失加快。本资料完整版WORD格式资料地址/tech/detailprof733113SG.htm更多技术总结房建工程精品资料推荐/tech/prof_SG461010.htm由上述可见，要控制坍落度损失，关键是控制新拌混凝土中减水剂的残存浓度。高效减水剂的添加量与坍落度恢复及损失的模式图如图2-10所示(图中：曲线2：通过多次添加减水剂，使坍落度得以维持；曲线1：通过后添加减水剂，使坍落度得以恢复；曲线3：在t0时间时再添加减水剂，混凝土产生离析)。服部健一等人也通过反复添加高效减水剂，维持混凝土的坍落度，如图2-11所示。经过的时间长，要恢复到原来的坍落度水平，需要添加的减水剂的量多。经过不同时间，添加量都一样时，坍落度达不到原来水平，而是缓慢地损失，如图2-12所示。2.4 矿粉减水剂的添加与坍落度经时变化图2-11 坍落度的恢复与减水剂添加量和添加时间关系图2-12 减水剂添加时间对坍落度经时变化的影响通过矿粉减水剂的生产原理及试验，通过混凝土坍落度损失的研究与试验，将矿粉减水剂进行了控制混凝土坍落度损失的试验，配合比如表2-2，混凝土坍落度经时变化如表2-3所示：表2-2 混凝土保塑对比试验（气温18，相对湿度55%）编号单方混凝土材料用量(kg/m3)水 水泥粉煤灰