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来源:友邦作者:友邦发布于:2016-10-26文字:【大】 【中】 【小】

摘要:为了揭示含泥量对聚竣酸减水剂分散能力的影响,试验选择净浆流动度和黏度两个指标,研究泥对掺聚竣酸减水剂水泥浆体流变性质的影响,并利用IRUV手段分析确定了泥的滤液对聚竣酸减水剂分子结构的影响及碱性环境中聚竣酸减水剂在泥颗粒表面的吸附规律。结果表明:当泥取代水泥质量的15 %时,聚竣酸减水剂由于泥的存在已无分散效果;增大聚竣酸减水剂掺量可以提高含泥水泥浆体的分散性;泥的滤液不会改变聚竣酸减水剂的分子结构、对聚竣酸减水剂的分散能力无不利影响;在饱和石灰水模拟的碱性环境中,泥对减水剂的吸附很快,初始时间里 (6 mm内)泥就已经充分吸附了聚竣酸减水剂,泥对聚竣酸减水剂的吸附量为水泥的4倍左右。

关键词:泥;聚竣酸减水剂;分散性;及附;碱性环境

 

聚羧酸减水剂因具有高减水率、高保坍性、高增强以及高耐久等优良性能,被越来越广泛地应用于混凝土工程中。然而,大量的工程实例及研究表明,聚羧酸减水剂与混凝土原材料中的其他组成材料存在相容性问题,其中,混凝土骨料中不可避免的泥对掺聚羧酸减水剂混凝土的工作性能等具有显著的影响,主要表现为聚羧酸减水剂的减水分散能力严重下降、保坍效果差,导致硬化混凝土强度降低等。

在预拌混凝土实际生产中,当骨料中的含泥量超过标准规定而明显影响到混凝土的质量时,一般采用冲洗作为常用解决手段,但冲洗会污染环境、损害砂的良好级配,不利于有效控制混凝土的水灰比,因而冲洗在很多情况下并不经济合理。国家标准 JGJ 52-2006规定了骨料中泥的鉴定方法并限制了其含量。有研究表明可以通过复配技术制备具有抑制集料含泥量影响的功能型聚羧酸减水剂,但也仅处于起步摸索阶段。因此,为了寻求更加有效的解决措施,研究泥对聚羧酸减水剂分散能力的影响机理是较为基础性的工作。然而,目前关于该方面的研究主要集中于砂石含泥量对水泥混凝土流变性能的影响,碱性环境中分散剂对某些特定黏土流变性质影响或者非碱性环境下关于某些特定黏土:如蒙脱土对聚羧酸减水剂的吸附研究,这些研究对深入分析泥的存在对聚羧酸减水剂分散能力的影响及机理有较好的参考作用,却不够系统和深入,有待进一步深入研究。

减水剂对混凝土工作性能的影响主要是通过改变水泥浆的流变性质来体现的,并且净浆流动度和黏度是表征水泥净浆流变性质的重要参数。笔者研究含泥量(泥取代水泥的质量百分比)对聚羧酸减水剂分散能力的影响、聚羧酸减水剂掺量对含泥水泥浆体流变性质的影响,并通过对比研究泥的滤液对水泥浆体流变性质以及聚羧酸减水剂分子结构的影响,重点通过模拟试验研究泥颗粒在碱性环境中对聚羧酸减水剂的吸附能力,探讨了泥对聚羧酸减水剂分散能力的影响机理。

1试验原材料及试验方法

1. 1试验原材料

试验采用无锡拉法基P. 042. 5R水泥,其主要性能见表1;泥来自无锡周铁,经烘干(105 °C) 粉磨过0.08 mm筛后待用,其XRD谱图见图1;砂:中砂,细度模数为3. 0,经淘洗并在100±5 C下烘干待用;减水剂:聚羧酸减水剂,PC-1(聚醚类),PC- 2 (聚酯类)萘系高效减水剂(FDN),最佳折固掺量分别为粉料(水泥+泥)用量的0. 18%0. 32% 0. 6%

1水泥的主要性能

图片关键词

 

1.2试验方法

1) 黏度的测定:称取粉料(水泥+泥)45 0 g,水灰比0. 29,加入相应掺量的减水剂,用搅拌器搅拌2 mim,静置所需的不同时间,通过数字旋转黏度计 NDJ-5S在恒定的转速12 r/mim测定浆体的黏度。

2) 净浆流动度的试验参照GB 501192003《混 凝土外加剂应用技术规范》。胶砂强度试验参照GB/T 176711999《水泥胶砂强度检验方法(IS0 )》。

3) 红外光谱(IR)分析:取一定量的减水剂样品, 加入乙醚使聚合物沉淀与共存物质分离,用乙醚洗 涤沉淀4〜5次,真空干燥。用KBr压片,在Nicolet Avatar 360红外光谱仪上扫描红外吸收光谱图。

4) 吸附量的测定:准确称取泥的质量M(g)、水 泥试样置于烧杯中,加入体积为V(mL)己知浓度 CXg/L)的聚羧酸减水剂溶液,液固质量比为10,在一定的温度下搅拌2 mm后,静置所需时间,抽滤,取上层清液,用TGL-10台式离心机(转速为 4 000 r/min)离心10 min,稀释分离出的液相,使之符合朗伯-比耳定律的浓度范围。采用TU-1901紫外可见分光光度计测定液相的浓度,记为G。然后按照公式计算泥、水泥对减水剂的吸附量r(mg/g)

2试验结果与讨论

2.1含泥量对掺聚竣酸减水剂的水泥浆体分散性的影响

减水剂分散能力的优劣,可以通过掺加减水剂的水泥净浆的流变性质来表征。通常水泥净浆的流变性质主要通过浆体的黏度和流动度来表征,前者主要表征浆体抵抗剪切变形的特性,后者主要反映净浆的屈服应力及其与流动度的关系。

根据标准和工程经验配比计算得出,大于或等于C30等级混凝土中砂石含泥量上限值为水泥质量的12%左右,因而,笔者特别选择范围为0〜15% 的含泥量进行对比试验研究。

2. 1. 1对掺聚竣酸减水剂的水泥净浆黏度的影响

掺减水剂的水泥净浆的流变特征符合一般宾汉姆流体模型或牛顿流体模型,水泥浆体系要求具有良好流动性的同时,且尽量分散稳定。试验采用旋转黏度计测试掺不同减水剂的水泥净浆在恒定剪切速率下的黏度相对值,从侧面反映了聚羧酸减水剂的分散能力。

2是含泥量对掺不同减水剂的水泥净浆初始黏度的试验结果。由图2可知,掺FDN的水泥净浆体系的黏度随着含泥量的增大略有增加,但变化幅度较平缓;当含泥量超过3%时,掺PC-1PC-2水泥净浆体系的黏度均随着含泥量增大而迅速增加,特别是当含泥量为15%时,浆体黏度己达到7 000〜 10 000 mPa • s,为纯水泥浆体黏度的10〜15倍。可见,当含泥量超过一定限值时,泥将会对聚羧酸减水剂的分散能力起显著的负面作用。

 

2含泥量对掺不同减水剂的水泥 浆体初始粘度的影响(VV/C=0. 29)

3 0〜15%含泥量对掺PC-1的水泥净浆体系时间-粘度曲线(VV/C= 0. 29)

 

2.1.2 对掺聚竣酸减水剂的水泥净浆流动度的 影响

4为含泥量对掺不同减水剂的水泥净浆流动度的试验结果。由图4可知,泥的存在不利于减水剂分散能力的发挥。无减水剂的水泥体系,含泥量的增大对流动度影响不明显;掺FDN的水泥体系,随着泥掺量的增大,初始流动度和1 h流动度变小,但变化幅度均比较小;掺PC-1的水泥体系,当泥掺量小于4. 5%时,含泥量的变化基本上对净浆的流动性无影响,但当泥掺量大于4. 5%时,曲线出现拐点,净浆的初始流动度和1 h流动度均急剧减小,掺 PC-2的水泥体系,流动度随着泥掺量的增加则一直均匀快速降低。当泥掺量达到15%时,聚羧酸减水剂由于泥的存在己几乎无分散效果,其净浆流动度和无减水剂的水泥净浆体系相当,均在120 mm左右。

可见,泥的量达到一定程度后将明显影响聚羧酸减水剂的分散能力,所选择的聚醚类减水剂与聚酯类减水剂由于具有不同的化学结构导致其受泥的影响规律略有不同,但这两种聚羧酸减水剂受含泥量影响的敏感性程度均大于萘系减水剂。这些结果与上述黏度的试验结果基本一致。

5为含泥量对掺不同减水剂的水泥胶砂强度试验结果。由图5可知,当淘洗的砂混掺一定量的泥时,由于泥一定程度上改善了砂的级配,均利于3 种砂浆体系强度的提高。其中,无减水剂的水泥砂浆体系,当泥取代淘洗砂质量的3%时,砂浆强度最大;掺FDN的水泥砂浆体系,当泥取代淘洗砂质量大于2%时,砂浆强度变化不大;掺PC-1的水泥砂浆体系,当泥掺量大于1%时,随着含泥量的增大砂浆强度出现较大幅度的降低。分析原因,一方面泥是惰性材料,另一方面泥降低了聚羧酸减水剂对水泥颗粒的分散能力,进一步导致掺聚羧酸减水剂的水泥砂浆抗压强度降低明显。

 

4含泥量对掺不同减水剂的水泥净浆流动度的影响 (无减水剂的水泥体系W/C= 0. 45,掺减水剂的水泥体系W/C= 0.29)

 

2.2聚羧酸减水剂掺量对含泥水泥浆体流变性质的影响

鉴于当泥含量超过某一限值时将对聚羧酸减水剂的分散能力起到显著的负作用,试验固定含泥量为9%,聚羧酸减水剂选用PC-1,研究聚羧酸减水剂掺量对该含泥水泥浆体流变性质的影响,探讨增大聚羧酸减水剂掺量能否改善泥对其分散能力的负面影响,结果如图6所示。

由图6可知,含泥量为9%的水泥净浆体系是可以通过增加聚羧酸减水剂的掺量来获得较高的净浆流动度和较低的黏度。当聚羧酸减水剂的掺量由 0. 18%增大到0. 54%左右时,水泥净浆流动度从 173 mm增加至与不掺泥的净浆(280 mm)相当;当聚羧酸减水剂的掺量由0.18%增大到0.7%时,水泥净浆黏度从5 060 mPa • s减少至与不掺泥的净浆黏度(680 mPa • s)相当。因此,试验条件下需要再增加2〜3倍掺量的聚羧酸减水剂才可以抵消泥的负面影响。

另外,对于含泥量为9%的水泥净浆体系,不同掺量范围的聚羧酸减水剂对浆体流变性质的影响程度有差异:当掺量小于0. 25%时,浆体流动性增大明显;当掺量大于0. 25%时,浆体的流动性随减水剂掺量的变化趋缓,且在折固掺量增大至0. 7%时,浆体均未出现泌水与沉降现象。有资料表明,在泥-水系统中,加入碱液增大pH值,能够改变黏土颗粒断口的双电层性质,使断口双电层与基面双电层性质趋于一致,使得黏土胶体颗粒的5 -电位增加,静电斥力增加,黏土颗粒分散,悬浮液稳定。因此,当碱性的水泥浆体系中混入一定量的泥后,泥颗粒胶体变得更稳定,再加上聚羧酸减水剂对泥颗粒也起到一定的分散稳定作用,因而使得含泥的水泥浆体系稳定性增加,不易泌水和沉降。

2.3泥的滤液对掺聚羧酸减水剂的水泥浆体分散 性的影响

基于前文含泥量为15%时,聚羧酸减水剂由于泥的存在己几乎无分散效果,试验对比研究分别用蒸馏水和泥的滤液(15%含泥量配制)拌制的水泥净浆体系流变性质,研究泥溶解于水后滤液对聚羧酸减水剂分散能力的影响,结果如表2所示。由表2 可知,泥的滤液对聚羧酸减水剂的分散能力并无不利影响。

2泥的滤液对掺聚羧酸减水剂的 水泥净浆流变性质的影响


图片关键词

注:聚羧酸减水剂选用的是PC-1W/C=0. 29

 

7是泥的滤液配制的聚羧酸减水剂的红外谱 图。图中,956. 28cm-1处是磺酸基的特征峰;

1105. 53 cm-1处是醚键的特征吸收峰;1250.25 cm1处是羧酸酐的特征峰;648.24 cm1处是碳碳双键的特征吸收峰;711.56 cm1处是羰基的特征吸收峰。与蒸馏水作溶剂的聚羧酸减水剂红外谱图相比较,泥的滤液没有改变聚羧酸减水剂的分子结构。

上述实验结果表明泥的滤液没有改变聚羧酸减水剂的分子结构和影响其分散能力,泥对聚羧酸减水剂分散能力的影响可能是通过泥颗粒来产生作用的。

7泥的滤液处理后的聚羧酸减水剂的红外光谱图

①蒸馏水配制的PC-1;②泥的滤液配制的PC-1

2. 4泥在碱性环境中对聚羧酸减水剂的吸附

聚羧酸减水剂主要是通过吸附于水泥等颗粒表面,依靠空间位阻及静电斥力作用发挥其分散效果。现有研究认为:泥降低聚羧酸减水剂对水泥的分散能力,是因为泥颗粒与水泥颗粒之间存在竞争吸附,导致吸附在水泥颗粒的减水剂偏少,分散效果变差。但缺少泥在水泥水化环境下颗粒吸附聚羧酸减水剂的试验研究证实该理论推论。笔者模拟研究泥在水泥水化环境下对聚羧酸减水剂的吸附能力及其吸附规律。

2. 4. 1模拟泥在水泥水化环境中吸附的必要性

在水泥实际水化环境中,水泥水化会溶出 Ca2+K+Na+0H—等离子,使水泥浆体呈强碱性,因此需要研究泥在碱性环境中对聚羧酸减水剂的吸附规律。考虑到若直接使用水泥滤液,存在着如下难题:水泥滤液成分复杂,其所含各离子的浓度将随着水泥水化不同时间而变化,因而会影响到吸附的测定。为了尽量模拟水泥水化的碱性环境,又利于吸附的测定,拟采用饱和Ca(0H)2溶液来模拟。

8是不同溶剂中聚羧酸减水剂的紫外吸收谱图。比较各谱图发现,泥滤液对聚羧酸减水剂的最佳紫外吸收波长没有影响;水泥滤液与饱和石灰水溶液均使聚羧酸减水剂的最佳紫外吸收波长发生红移,且两者的最佳波长一致(均为214 nm)因此,在使用紫外吸收谱图测试泥颗粒对聚羧酸减水剂的吸附量时,使用饱和石灰水模拟碱性环境是必要的,而且是可行的。

9不同吸附时间对应的吸光度

2. 4. 2泥对吸附平衡时间的影响

控制环境温度为25 °C,准确称取5 g泥于烧杯中,加入50 mL 6g/L的聚羧酸减水剂溶液(饱和石灰水配制),先搅拌2 min,分别静置至6306090 120 min,然后过滤,取滤液上清液离心,稀释分离出的液相,用紫外可见分光光度计进行全波长扫描,结果如图9所示。由图9可知,不同时间对应的吸光度差别不大,根据朗伯-比耳定律计算发现泥对聚羧酸减水剂的吸附量随时间变化不大,即泥对聚羧酸减水剂吸附很快,初始6 mn就己达到其平衡吸附量。这也更好地解释了前文关于掺聚羧酸减水剂的含泥净浆黏度在2 h内随时间变化不明显的试验现象。

2.4.3泥对聚竣酸减水剂吸附量

10为泥和水泥对聚羧酸减水剂的吸附比较结果。从图中可以看出,在同样的聚羧酸减水剂质量浓度下,泥对聚羧酸减水剂的吸附量为水泥的4 倍左右。当聚羧酸减水剂浓度为5.3 g/L时,泥对聚羧酸减水剂的吸附量为30 mg/g。说明聚羧酸减水剂分子在加入到水泥浆体系中时,泥与水泥存在着竞争吸附,且泥对聚羧酸减水剂的吸附能力远远强于水泥颗粒,这正是导致绝大多数聚羧酸系减水剂对砂石料的含泥量非常敏感的原因,这也可以进一步解释为何增大聚羧酸减水剂掺量可以消除泥对其分散能力的负面影响。

3结论

(1)泥在聚羧酸减水剂分散水泥颗粒的过程中起 负面作用,随着含泥量的增加,掺聚羧酸减水剂的水 泥浆体的屈服应力和相对黏度均呈增大趋势;当泥掺量达到15 %时,聚羧酸减水剂由于泥的存在己无分散作用;试验所用聚醚类聚羧酸减水剂与聚酯类聚羧酸减水剂的分散能力受含泥量影响的敏感性有所差别,但均大于萘系减水剂的。

(2)增大聚羧酸减水剂掺量可以提高含泥水泥浆体的分散性,对于含泥量为9 %的水泥净浆体系,试验条件下需要再增加2〜3倍掺量的聚羧酸减水剂才可以抵消泥的负面影响。泥的存在可以提高掺有聚羧酸减水剂水泥浆体系的稳定性。

(3)泥的滤液没有改变聚羧酸减水剂的分子结构、对聚羧酸减水剂的分散能力无不利影响。泥对聚羧酸减水剂吸附是影响其分散能力的主要原因:泥在较快时间(6 min)内就吸附了聚羧酸减水剂;泥对聚羧酸减水剂的吸附能力要强于水泥对其的吸附,泥对聚羧酸减水剂的吸附量为水泥的4倍左右。

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