减水剂和掺高岭土和蒙脱石对水泥净浆流动性能的影响

减水剂和掺高岭土和蒙脱石对水泥净浆流动性能的影响

吸附行为是减水剂和水泥颗粒作用的第一阶段。通过吸附吸附可以实现水泥颗粒的分散。减水剂分子结构中含有很多官能团,—SO3H、—OH、—COOH、—NH2等,这些基团能吸附在水泥颗粒或其水化产物表面,形成一定厚度的吸附层,并通过静电斥力和空间位阻等作用,大大改变了固液相界面的物化性质和颗粒间的作用力,破坏了水泥颗粒间的絮凝结构,使水泥粒子暂时处于均匀分布的稳定状态,从而保证了新拌水泥浆的流变特性。但是,黏土是商品混凝土制备过程中不可避免引入的组分。随着黏土含量增加,其对减水剂的吸附量也增多,降低了减水剂的有效利用率;另外,由于黏土矿物较高的比表面积和层状结构,使黏土能吸附较多的水分,减少了浆体中的自由水:这些都会直接影响商品混凝土的施工性能。对于不同的减水剂,水泥和黏土对减水剂的吸附特性是有区别的,而这种区别在选用减水剂的过程中比较重要。Yoshioka等、胡晓波等、彭雄义等研究了减水剂在水泥表面的吸附行为。Yamada等认为聚羧酸分子中磺酸根的比例越大,对水泥浆体的分散性越好。Rossington证明了木钙在水泥表面的吸附为多分子层吸附。胡晓波等提出了萘系减水剂在水泥表面的吸附也不是单分子层吸附。但是关于黏土矿物对减水剂的吸附特性的报道目前较少,对于水泥和黏土矿物对不同减水剂的吸附特性的研究更少。通过研究水泥和主要的黏土矿物—高岭土和蒙脱石对聚羧酸、萘系和木质素磺酸钠减水剂的吸附特性,了解黏土矿物和水泥颗粒对不同减水剂的吸附差异,旨在为减水剂在含泥混凝土中的使用提供指导。1实验1.1目筛、水泥、黏土矿物的物理化学性能所用原料包括:武汉亚东普通硅酸盐42.5R水泥;茂名机制高岭土,烘干后过200目筛(筛孔尺寸为75μm);辽宁某地蒙脱石(石块),经研钵磨细,烘干后过200目筛。水泥和黏土矿物的物理化学性能如表1所示,其XRD谱如图1所示。聚羧酸减水剂(PC),萘系减水剂(NS)和木质素磺酸钠减水剂(LS)的分子结构如图2所示。1.2方法1.2.1pc溶液的固相吸附特性测试用紫外分光光度计(UV5200)测试NS和LS在水泥和黏土矿物表面的吸附。实验中测试NS和LS的吸光度分别选用334nm和293nm作为测试波长。经紫外分光光度计扫描发现此PC溶液无特征吸收波长,因此本实验采用德国MultiN/C2100型总有机碳分析仪测试滤液中的有机碳含量。将5g固体颗粒加入到100g含有不同浓度的3种减水剂的去离子水溶液中,并用超声波搅拌5min,然后用TDL-80-2B型离心机分离(转速3000r/min,4min),取出上层清液,用0.22μm一次性有机滤器过滤,将滤液留样备用。减水剂吸附量测定:将过滤得到的PC溶液用盐酸酸化后用有机碳测定仪直接测试。将过滤得到的NS和LS滤液加入到比色皿中,用紫外分光光度计测试各溶液的吸光度。水泥,高岭土和蒙脱石对3种减水剂的吸附量通过吸附前后液体中减水剂的量计算得到。1.2.2比为0.29的标准实验中PC掺量为0.06%,水固比为0.29;NS掺量为0.5%,水固比为0.29;LS掺量为0.8%,水固比为0.35。按高岭土和蒙脱石分别取代水泥质量的0、1%、2%和4%制备水泥净浆,根据GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定浆体初始和1h后流动度。1.2.4固体结构和形状采用数字式三维视频显微镜(HIROXKH-7700)观察固体颗粒在液相中颗粒分散的形貌结构。2结果与讨论2.1减水剂的吸附特性由图4可知,固体颗粒对减水剂的吸附量都是随着PC掺量的增加而增大。蒙脱石和高岭土对PC的吸附量比水泥对PC的吸附量大得多,尤其是蒙脱石对减水剂的吸附量是水泥的数十倍。由图5可知,固体颗粒对NS的吸附量都是随着NS掺量的增加而增大。水泥对NS的吸附量略大于高岭土和蒙脱石对NS的吸附量。由图6可知,固体颗粒对减水剂的吸附量都是随着LS掺量的增加而增大。但是高岭土对LS的吸附量比水泥和蒙脱石对LS的吸附量大,蒙脱石对LS的吸附量略小于高岭土对LS的吸附量。由图4~图6可知,水泥、高岭土和蒙脱石对不同减水剂的吸附特性有差异。这可能与减水剂的自身结构有关。如图2所示,LS结构中含有羟基和磺酸基,NS含有磺酸基团,PC含有羧基。掺NS时,可能是由于磺酸基团不利于黏土矿物对NS的吸附,而水泥对含磺酸基团的减水剂的吸附量较大,结果导致水泥对NS的吸附量比黏土矿物对NS的吸附量大。掺LS和PC时,减水剂分子结构中除了磺酸基,还有羟基或羧基。磺酸基团可能不利于黏土矿物对减水剂的吸附,羟基或羧基可能有助于黏土矿物对减水剂的吸附。结果LS和PC减水剂在黏土矿物表面的吸附量比LS和PC减水剂在水泥颗粒表面的吸附量要大。从图4~图6还可以看出,不同的黏土矿物(蒙脱石和高岭土)对不同减水剂的吸附规律存在差异:高岭土对NS和LS的吸附量比蒙脱石对NS和LS的吸附量要大;高岭土对PC的吸附量比蒙脱石对PC的吸附量要小。这种现象的本质原因还不了解。然而,总的来说,黏土矿物对NS的吸附能力较小,对PC的吸附量比水泥的大。这对实际应用工程意义很大。因为在实际工程中,混入混凝土中的黏土往往是由高岭土和蒙脱石等矿物混合而成的。于是在含泥量较大的混凝土中,选用NS或LS作为减水剂比选用PC可能对混凝土的工作性能影响程度要小些。2.2黏土矿物的影响高岭土和蒙脱石分别取代水泥质量的0、1%、2%和4%对净浆流动度的影响的数据如图7所示。图7中的数据表明:随着黏土矿物取代水泥量的增加,水泥净浆的初始和1h后流动度都不断降低;蒙脱石的掺入,对净浆流动度的影响比高岭土的掺入影响要大;添加聚羧酸减水剂的净浆流动度受黏土矿物的影响更明显。原因是:一方面,黏土矿物的层状结构能吸附较多的水分,导致浆体中自由水的量降低,浆体流动度都随黏土矿物量的增加而下降。蒙脱石2:1的层状结构吸水性更强(如表1所示),因此蒙脱石对净浆流动度的影响比高岭土更强。另一方面,黏土矿物会吸附部分减水剂,使得用于分散水泥颗粒的减水剂减少。掺聚羧酸减水剂的水泥净浆流动度迅速下降,而掺萘系和木质素磺酸钠减水剂的水泥净浆流动度下降速度略小。这可能主要是黏土对减水剂的吸附引起的,与图4~图6的结果一致。2.3减水剂的固结机理由图8~图10可知,随着时间的延长,浆体的黏度基本上都是逐渐增大的。在中间时间段,浆体黏度略有下降,可能是浆体搅拌的时间间隔较短,由于浆体的触变性,使得连续搅拌过程中浆体黏度有下降的现象出现。同时,对于同一时间点的浆体黏度,都是掺有蒙脱石的浆体的黏度最大,空白样的浆体黏度最小。对于掺加不同减水剂的浆体,其规律都是这样。这不能完全用固体颗粒对减水剂的吸附规律解释。图4中,吸附量从大到小依次为:蒙脱石、高岭土、水泥。图5中,吸附量从大到小依次为:水泥、高岭土、蒙脱石。图6中,吸附量从大到小依次为:高岭土、蒙脱石、水泥。虽然对于掺加PC的浆体的黏度随时间变化的曲线能用图4的吸附曲线解释,但是掺加NS和LS的浆体的黏度随时间变化曲线不能用吸附曲线作出很好的解释。因此,这些现象可能与固体颗粒的结构和吸水特性有关。2.4水泥和高岭土吸水能力的影响由于黏土矿物的引入导致水泥净浆黏度变化的原因不能完全用黏土吸附减水剂来解释,因此从固体颗粒的结果和形貌来分析黏土矿物降低净浆流动性的原因。从高岭土和蒙脱石的微观结构看,高岭土(1:1层状结构)和蒙脱石(2:1层状结构)都属于层状结构,水分子较容易进入到其结构层中,即高岭土和蒙脱石吸水性较强。并且高岭土和蒙脱石这类黏土矿物还会团聚、硬化,这些都会导致浆体中自由水含量的减少,增加浆体的黏度。如图11所示:在显微镜下水泥和蒙脱石为不规则的片状或板状,但是蒙脱石颗粒表面比水泥表面粗糙;高岭土的形貌近似为球状且表面较光滑。高岭土晶体学上的解离特性应该为片状,但是显微镜下的形貌近似为表面光滑的球状。这可能是因为高岭土的制备工艺造成的。本实验所用的高岭土是加工处理后的,在机械粉碎和磨细过程中由于外界物理力的作用导致了其颗粒表面较平滑。因此,理论上水泥和高岭土颗粒较平滑的表面结构对水分的吸收比蒙脱石粗糙的表面要小,这与表1中的结果一致。一方面水泥颗粒和高岭土宏观结构上较平滑的表面结构,导致水泥和高岭土消耗的水分比蒙脱石的少;另一方面高岭土和蒙脱石微观结构的层状结构,在1h内,导致高岭土和蒙脱石的吸水性比水泥颗粒的强,其对水的吸附容量比水泥大。最终的结果是,在1h内,吸水能力从大到小的顺序为:蒙脱石、高岭土、水泥。这与表1的结果一致,因此,蒙脱石对水泥净浆的黏度和流动度的不利影响更大。3控制水泥净浆中高岭土和蒙脱石等黏土矿物的引入1)掺加聚羧酸减水剂的水泥净浆中,高岭土和蒙脱石对聚羧酸减水剂吸附,是致使水泥浆体的工作性能变差的主要原因。在掺萘系和木质素磺酸钠减水剂的水泥净浆中,高岭土和蒙脱石对水分的吸附,是致使水泥浆体的工作性能变差的主要原因。因此,在制备混凝土的过程中,要控制高岭土和蒙脱石等黏土矿物的引入。2)含泥量较大的混凝土制品不适合选用聚羧酸减水剂,应选用萘系或木质素磺酸钠减水剂。1.2.3测试方法三组水泥净浆黏度都是选取高岭土和蒙脱石分别取代水泥质量的2%进行测试。其中:PC掺量为0.06%,水固比为0.29;NS掺量为0.5