新型SAF减水剂及其作用机理研究

2010-09-28王天印

河南建材 2010年1期

王天印

洛阳黄河同力水泥有限责任公司（471600）

高效减水剂的使用不但改善了新拌混凝土的工作性能，而且从微观、亚微观层次上改善了硬化混凝土的结构,提高了混凝土的物理力学性能和耐久性能，同时，减水剂的研究和应用促进了混凝土生产、施工工艺以及新型混凝土的发展[1]。随着泵送混凝土、水下浇筑混凝土、喷射混凝土、高强高性能混凝土等新技术的快速发展，高效减水剂成为混凝土技术发展不可或缺的一种关键材料[2]。脂肪族磺酸盐高效减水剂以其减水率高,适应性强和成本低等优势而得到广泛应用。

1 试验

1.1 试验原材料

1）试验用ZY型SAF减水剂由实验室合成。

2）水泥。采用DL水泥厂生产的P.O.42.5水泥，其熟料化学成分和矿物组成如表1所示。

表1 水泥熟料的化学成分及矿物组成

3）参比减水剂。UNF萘系减水剂，市购;ZF脂肪族磺酸盐减水剂，含固量31.2%，市购。

1.2 试样制备

1）将所合成的缩聚物样品经烘干、磨细并经乙醇沉淀后,过滤干燥,用KBr压片后用富里埃红外光谱仪进行分析。

2）在烧杯中加入lg水泥，然后加入400 ml质量浓度为4 g/L的合成样品高效减水剂溶液，即水灰比400，人工搅拌5 min后，将悬浮液注入电泳槽内，开始进行第一次动电电位(ξ电位)测定，以后每隔15 min测定一次，60min后结束。用不掺减水剂的水泥浆体系的ξ电位,作为空白样对照试验。

3）混凝土减水率及抗压强度试验，采用DL水泥厂P.O.42.5水泥、碎石、中砂。基准混凝土配合比为C=310 kg/m3，C：S：G=1：2.27：3.40，W/C=0.58。

2 结果分析与讨论

2.1 红外光谱的测定结果分析

实验室合成的ZY型SAF红外光谱如图1所示。

图1 ZY型SAF的红外光谱图

可以看出，3 413 cm-1为羟基的伸缩振动吸收峰；1 647 cm-1为羰基的伸缩振动吸收峰；1 184 cm-1和1 048 cm-1为S-O键的伸缩振动吸收峰,认定脂肪族羟基磺酸盐高效减水剂为含有羟基、羰基和磺酸基等亲水基团的高分子化合物。

2.2 Zeta电位特征分析

由于水泥的水化过程中具有双电层和电动电位的存在，因而ξ电位值就可以做为水泥—水体系动电性质的综合指标，结果如图2所示。

图2 水泥—合成SAF—水体系的ξ电位

由图2可以看出，未掺减水剂的水泥胶粒表面的ξ电位随着时间的变化由正变为负。这是由于水泥的主要矿物成分是C3S、C2S、C3A、C4FA,其中硅酸盐水化物的粒子在水分散体系中带负电,而铝酸盐水化物粒子带正电。水泥水化初期，C3A首先发生水化反应，因此测得水泥粒子带正电，随着水化过程的进行，C3S开始水化，使带电负粒子逐渐增多，因此测得的水泥粒子的ξ电位逐渐变为负值。水泥分散体系中掺加减水剂主要是分散占水泥成分较多的C3S、C2S,通过静电斥力和立体位阻使水泥浆体处于流态化。

当水泥分散体系中掺加减水剂时,阴离子型的脂肪族磺酸盐减水剂在水中电解后被水泥颗粒吸附使其带负电荷。所以加入脂肪族磺酸盐减水剂的水泥浆体的初始ξ电位为负值，且ξ电位的绝对值比空白试样的ξ电位值高。吸附减水剂的结果使水泥粒子表面双电层发生变化，ξ电位负值大大增加,因此初始水泥净浆流动和混凝土初始坍落度都增加较大。由图2可知ZY型SAF的ξ电位的初始绝对值为31 mv左右，随着时间的延长，带相反电荷离子的作用使扩散双电层逐渐变薄，ξ电位绝对值逐渐降低，当静电斥力小于水泥粒子间的凝聚力时,固体粒子就容易克服静电扩斥力而发生聚集，导致掺加SAF的混凝土的坍落度也相应降低。

2.3 减水率与强度

实验结果见表2所示。

表2 掺SAF的混凝土各龄期强度及减水剂的减水率

可以看出,在相同掺量下ZY型SAF的减水率最高，ZF脂肪族和UNF萘系减水率相差不多,且减水率均大于12%，符合高效减水剂的标准要求。掺ZY减水剂的混凝土3天强度最高，说明有早强作用，综合效果优于作为参照的脂肪族减水剂。

2.4 讨论

脂肪族高效减水剂加入水泥混凝土中,能显著的改善拌合物的流动性，其减水作用机理如下：

1）静电斥力作用。脂肪族羟基磺酸盐高效减水剂为阴离子表面活性剂,含有磺酸基等强极性的阴离子基团，它的分子主链以—C—C—键相连,分子主链上的羟基和羰基等吸附基团，在水泥颗粒上的吸附，使分子定向排列，部分极性基团指向液相。由于亲水极性基团的电解作用,使水泥颗粒表面带有相同电荷，在静电斥力的作用下，使水泥—水体系处于相对稳定的悬浮状态,并通过拆散水化初期形成的絮凝结构释放出的游离水，提高水泥的流动性。与其他几种减水剂相比，含磺酸根的离子型聚合物静电斥力最大。ξ电位的研究表明,脂肪族减水剂能显著降低水泥颗粒的ξ电位（绝对值增大）,主要靠静电斥力作用来达到减水分散效果的。

2）空间位阻作用。减水剂吸附在水泥颗粒的表面，形成一层有一定厚度的聚合物分子吸附层。当水泥颗粒相互靠近时，吸附层相互重叠，在水泥颗粒间会产生斥力作用，重叠越多，斥力越大，称之为立体空间位阻斥力。一般认为所有离子型聚合物都会引起静电斥力和立体位阻两种作用。大小取决于用溶液中离子的浓度、聚合物的分子结构和摩尔质量。脂肪族高效减水剂为线性离子型聚合物，其立体位阻斥力较小。