http://qks.cqu.edu.cn
第
!"
卷第
#
期 重 庆 大 学 学 报
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年
#
月
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34
5.
3
6.578-95:
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文章编号!
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#
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泥对掺聚羧酸减水剂的水泥浆体分散性的影响
李有光/$李
!
苑/$万
!
煜P$邓
!
成/$王
!
智P$钱觉时/
"重庆大学
/'
材料科学与工程学院%
P'
化学化工学院$重庆
@***@@
#
收稿日期!
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基金项目!国家重点基础研究发展
项目"
)**D1E?)!#*@
#%高性能土木工程材料国家重点实验室开放基金课题
"
)*#*1FQ**@
#%重庆大学,
)##
工程-三期建设研究生开放实验室资助项目
作者简介!李有光"
#D"A<
#$男$重庆大学副教授$硕士生导师$主要从事水泥混凝土研究'
王智"联系人#$男$重庆大学教授$"
C8&
#
*)!"#)?#*D
%"
F
表面的吸附规律'结果表
明!当泥取代水泥质量的
#"c
时$聚羧酸减水剂由于泥的存在已无分散效果%增大聚羧酸减水剂掺
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%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
"
?G5.
内#泥就已经充分吸附了聚羧酸减水剂$泥对聚羧酸减水剂的吸附量为水泥的
@
倍左右'
关键词!泥%聚羧酸减水剂%分散性%吸附%碱性环境
!!
中图分类号!
C6")='*@)')
文献标志码!
L
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!!
聚羧酸减水剂因具有高减水率&高保坍性&高增
强以及高耐久等优良性能$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
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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("
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
+T+")<)**?
规定了骨料中泥的鉴定方法并限制了
其含量(D)'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(A$#)<#")$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'
9
!
试验原材料及试验方法
9<9
!
试验原材料
试验采用重庆拉法基
R'U@)'"S
水泥$其主要
性能见表
#
%泥来自重庆白市驿镇$经烘干"
#*"k
#
粉磨过
*'*=GG
筛后待用$其
>SX
谱图见图
#
%砂!
中砂$细度模数为
!'*
$经淘洗并在
#**j"k
下烘
干待用%减水剂!聚羧酸减水剂$
R1<#
"聚醚类#$
R1<
)
"聚酯类#%萘系高效减水剂"
KX(
#$最佳折固掺量
分别为粉料"水泥
_
泥#用量的
*'#=c
&
*'!)c
和
*'?c
'
表
9
!
水泥的主要性能
安定性
细度
*
c
凝结时间*
G5.
抗压强度*
QR/
抗折强度*
QR/
初凝 终凝
!J )=J !J )=J
合格
*'D ##A ))= )A'" @='A "'A D'#
图
9
!
泥的
ZM[
图谱
9<:
!
试验方法
#
#黏度的测定!称取粉料"水泥
_
泥#
@"*
3
$水
灰比
*')D
$加入相应掺量的减水剂$用搅拌器搅拌
)G5.
$静置所需的不同时间$通过数字旋转黏度计
(X+<"B
在恒定的转速
#)-
*
G5.
测定浆体的黏度'
)
#净浆流动度的试验参照
TE"*##D
3
)**!
4混
凝土外加剂应用技术规范5'胶砂强度试验参照
TE
*
C#A?A#
3
#DDD
4水泥胶砂强度检验方法"
dBU
法#5'
!
#红外光谱"
dS
#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$用乙醚洗
涤沉淀
@
#
"
次$真空干燥'用
NE-
压片$在
(5I%&8:
L7/:/-!?*
红外光谱仪上扫描红外吸收光谱图'
@
#吸附量的测定!准确称取泥的质量
5
"
3
#&水
泥试样置于烧杯中$加入体积为
_
"
GO
#已知浓度
*
*
"
3
*
O
#的聚羧酸减水剂溶液$液固质量比为
#*
$在
一定的温度下搅拌
)G5.
后$静置所需时间$抽滤$
取上 层清 液$用
CTO<#*
台 式离 心机 "转速为
@***-
*
G5.
#离心
#*G5.
$稀释分离出的液相$使之
符合朗伯
<
比耳定律的浓度范围'采用
C6<#D*#
紫
外可见分光光度计测定液相的浓度$记为
*
#
'然后
按照公式计算泥&水泥对减水剂的吸附量
4
"
G
3
*
3
#'
4"
_
B
"
*
*
#
*
#
#
5
'
A=
第
#
期
!!!!!!!!!!
李有光$等!泥对掺聚羧酸减水剂的水泥浆体分散性的影响
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:
!
试验结果与讨论
:<9
!
含泥量对掺聚羧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$后者主要反映
净浆的屈服应力及其与流动度的关系'
根据标准(D)和工程经验配比计算得出$大于或
等于
1!*
等级混凝土中砂石含泥量上限值为水泥质
量的
#)c
左右$因而$笔者特别选择范围为
*
#
#"c
的含泥量进行对比试验研究'
)'#'#
!
对掺聚羧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$水泥浆体系
具有
良好流动性的同时$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$从侧面反映了聚羧酸减水剂
的分散能力'
图
)
是含泥量对掺不同减水剂的水泥净浆初始
黏度的试验结果'由图
)
可知$掺
KX(
的水泥净浆
体系的黏度随着含泥量的增大略有增加$但变化幅
度较平缓%当含泥量超过
!c
时$掺
R1<#
和
R1<)
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
#"c
时$浆体黏度已达到
A***
#
#****GR/
+
9
$为纯水泥浆体黏度的
#*
#
#"
倍'
可见$当含泥量超过一定限值时$泥将会对聚羧酸减
水剂的分散能力起显著的负面作用'
图
:
!
含泥量对掺不同减水剂的水泥
浆体初始粘度的影响"
-
!
.XQ<:D
#
图
!
是
*
#
#"c
含泥量对掺
R1<#
的水泥净浆
体系时间
<
黏度曲线'由图
!
可知$当水泥水化时间
不超过
)2
时$不同含泥量的掺
R1<#
的浆体黏度随
时间的变化并不明显'因此可以认为$在泥和减水
剂接触的初始时间内泥已经充分影响了其对水泥颗
粒的分散能力'
图
;
!
Q
"
9@T
含泥量对掺
\G49
的水泥净
浆体系时间
4
粘度曲线"
-
!
.XQ<:D
#
)'#')
!
对掺聚羧酸减水剂的水泥净浆流动度的
影响
!!
图
@
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
@
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
KX(
的水泥体系$
随着泥掺量的增大$初始流动度和
#2
流动度变小$
但变化幅度均比较小%掺
R1<#
的水泥体系$当泥掺
量小于
@'"c
时$含泥量的变化基本上对净浆的流
动性无影响$但当泥掺量大于
@'"c
时$曲线出现拐
点$净浆的初始流动度和
#2
流动度均急剧减小$掺
R1<)
的水泥体系$流动度随着泥掺量的增加则一直
均匀快速降低'当泥掺量达到
#"c
时$聚羧酸减水
剂由于泥的存在已几乎无分散效果$其净浆流动度和
无减水剂的水泥净浆体系相当$均在
#)*GG
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$但这两种聚羧酸减水剂受含泥
量影响的敏感性程度均大于萘系减水剂'这些结果
与上述黏度的试验结果基本一致'
图
"
为含泥量对掺不同减水剂的水泥胶砂强度
试验结果'由图
"
可知$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
!
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
!c
时$砂浆强度最
大%掺
KX(
的水泥砂浆体系$当泥取代淘洗砂质量
大于
)c
时$砂浆强度变化不大%掺
R1<#
的水泥砂
浆体系$当泥掺量大于
#c
时$随着含泥量的增大砂
==
重 庆 大 学 学 报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第
!"
卷
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浆强度出现较大幅度的降低'分析原因$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'
图
=
!
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
-
!
.XQ,=@
$掺减水剂的水泥体系
-
!
.XQ,:D
#
图
@
!
含泥量对掺不同减水剂的水泥胶砂强度的影响"
-
!
.XQ<=
$胶砂比
X9];
#
:<:
!
聚羧酸减水剂掺量对含泥水泥浆体流变性质
的影响
!!
鉴于当泥含量超过某一限值时将对聚羧酸减水
剂的分散能力起到显著的负作用$试验固定含泥量
为
Dc
$聚羧酸减水剂选用
R1<#
$研究聚羧酸减水剂
掺量对该含泥水泥浆体流变性质的影响$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$结果如图
?
所示'
由图
?
可知$含泥量为
Dc
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
*'#=c
增大到
*'"@c
左右时$水泥净浆流动度从
#A!GG
增加至与不掺泥的净浆"
)=*GG
#相当%当
聚羧酸减水剂的掺量由
*'#=c
增大到
*'Ac
时$水
泥净浆黏度从
"*?*GR/
+
9
减少至与不掺泥的净
浆黏度"
?=*GR/
+
9
#相当'因此$试验条件下需要
再增加
)
#
!
倍掺量的聚羧酸减水剂才可以抵消泥
图
A
!
聚羧酸减水剂掺量对含泥水泥净浆体系流动度
和黏度的影响"含泥量为
DT
$
-
!
.XQ<:D
#
)
初始流动度"无泥#
<)=*GG
%
*
#2
流动度
"无泥#
<)D*GG
%
+
初始黏度"无泥#
=*GR/
+
9
的负面影响'
另外$对于含泥量为
Dc
的水泥净浆体系$不同
D=
第
#
期
!!!!!!!!!!
李有光$等!泥对掺聚羧酸减水剂的水泥浆体分散性的影响
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掺量范围的聚羧酸减水剂对浆体流变性质的影响程
度有差异!当掺量小于
*')"c
时$浆体流动性增大
明显%当掺量大于
*')"c
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
*'Ac
时$
浆体均未出现泌水与沉降现象'有资料表明(#A)$在
泥
<
水系统中$加入碱液增大
Y
M
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$使得黏土胶体颗粒的
4
<
电位增加$
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'
:<;
!
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
#"c
时$聚羧酸减水剂由于
泥的存在已几乎无分散效果$试验对比研究分别用
蒸馏水和泥的滤液"
#"c
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
)
所示'由表
)
可知$泥的滤液对聚羧酸减水剂的分散能力并无不
利影响'
表
:
!
泥的滤液对掺聚羧酸减水剂的
水泥净浆流变性质的影响
水的类型
Y
M
黏度*"
GR/
+
9
#
净浆流动度*
GG
初始
#2
蒸馏水
?'D? @=* )D" !*"
泥滤液
='"@ @!* )D? !**
!
注!聚羧酸减水剂选用的是
R1<#
$
^
*
*]*')D
图
A
是泥的滤液配制的聚羧酸减水剂的红外谱
图'图中$
D"?')=IG
^# 处是磺酸基的特 征 峰%
##*"'"!IG
#^处是醚键的特征吸收峰%
#)"*')"
IG
#^处是羧酸酐的特征峰%
#?@=')@IG
^#处是碳碳
双键的特征吸收峰%
#A##'"?IG
^#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'
图
B
!
泥的滤液处理后的聚羧酸减水剂的红外光谱图
)
蒸馏水配制的
R1<#
%
*
泥的滤液配制的
R1<#
:<=
!
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$分散效果变差'
但缺少泥在水泥水化环境下颗粒吸附聚羧酸减水剂
的试验研究证实该理论推论'笔者模拟研究泥在水
泥水化环境下对聚羧酸减水剂的吸附能力及其吸附
规律'
)'@'#
!
模拟泥在水泥水化环境中吸附的必要性
在水泥实际水化环境中$水泥水化会溶出
1/
)_
$
N
_
$
(/
_
$
UM
^ 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$拟采用饱和
1/
"
UM
#
)
溶液来
模拟'
图
=
是不同溶剂中聚羧酸减水剂的紫外吸收谱
图'比较各谱图发现$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$且两者的最佳波长一致"均为
)#@.G
#$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'
*D
重 庆 大 学 学 报
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第
!"
卷
http://qks.cqu.edu.cn
图
C
!
不同溶剂中
\G49
的紫外全波长扫描曲线
图
D
!
不同吸附时间对应的吸光度
)'@')
!
泥对吸附平衡时间的影响
控制环境温度为
)"k
$准确称取
"
3
泥于烧杯
中$加入
"*GO?
3
*
O
的聚羧酸减水剂溶液"饱和石
灰水配制#$先搅拌
)G5.
$分别静置至
?
$
!*
$
?*
$
D*
$
#)*G5.
$然后过滤$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$结
果如图
D
所示'由图
D
可知$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$初始
?G5.
就已达到其平衡吸附
量'这也更好地解释了前文关于掺聚羧酸减水剂的
含泥净浆黏度在
)2
内随时间变化不明显的试验
现象'
)'@'!
!
泥对聚羧酸减水剂吸附量
图
#*
为泥和水泥对聚羧酸减水剂的吸附比较
结果'从图中可以看出$在同样的聚羧酸减水剂质
量浓度下$泥对聚羧酸减水剂的吸附量为水泥的
@
倍左右'当聚羧酸减水剂浓度为
"'!
3
*
O
时$泥对
聚羧酸减水剂的吸附量为
!*G
3
*
3
'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
图
9Q
!
泥和水泥对聚羧酸减水剂的吸附比较
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'
;
!
结
!
论
#
#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
#"c
时$聚羧酸减水剂由于泥的存在已无
分散作用%试验所用聚醚类聚羧酸减水剂与聚酯类
聚羧酸减水剂的分散能力受含泥量影响的敏感性有
所差别$但均大于萘系减水剂的'
)
#增大聚羧酸减水剂掺量可以提高含泥水泥浆
体的分散性$对于含泥量为
Dc
的水泥净浆体系$试
验条件下需要再增加
)
#
!
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'
!
#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"
?G5.
#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$泥对聚羧酸减水剂的吸附量为水泥的
@
倍左右'
参考文献!
(
#
)李崇智$冯乃谦
'
梳形聚羧酸系减水剂与水泥的相容性
研究(
+
)
'
建筑材料学报$
)**@
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