一种解决聚羧酸与高含泥量集料适应性差的方法

臧军，赵长江，嵇晓康

（江苏名和集团有限公司，江苏 镇江 212028）

0 前言

聚羧酸减水剂具有掺量低、减水率高、保坍性能好，生产过程中不使用甲醛等优点，具有广阔的应用前景，但对集料中的泥含量尤为敏感[1]。集料中的泥主要为粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、伊利石和绿泥石等），这些粘土矿物在加水搅拌过程中会产生膨胀，然后进一步分散成直径小于 10μm的细小颗粒，因而它们表现出一系列表面化学的性质，粘土内由同晶置换和吸附在粘土表面的腐殖质解理而产生的负电荷大部分分布在层状硅酸盐的板面（垂直于 c 轴的面）上。当集料中泥含量较高时，聚羧酸减水剂的吸附量增大，导致了聚羧酸减水剂的适应性变差[2-4]。因此在使用聚羧酸时，常对集料的含泥量提出较高的要求。

当前，随着国民经济的发展，大型工程的建设越来越多，但优质集料的获得存在较大困难。而使用含泥量较高的集料通常需要增加聚羧酸减水剂的掺量来弥补适应性的劣化，并且混凝土的坍落度损失也随之增大。而增加聚羧酸减水剂掺量势必会增加混凝土的生产成本[2-5]。因此，本文通过采用季铵盐型粘土稳定剂和无机钾盐来减少粘土表面扩散双电层厚度和 Zeta 电位，抑制粘土的膨胀与分散，同时利用有机磷阻垢剂吸附在粘土表面，在粘土稳定剂和有机磷阻垢剂的协同作用下，聚羧酸高性能减水剂就不再与粘土表面直接接触，从而在含泥量较高的体系中依然保持良好的减水效果。

1 试验

1.1 试验原料

（1）化学试剂：环氧氯丙烷（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、二甲胺（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、乙二胺（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、亚硫酸钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、过硫酸钾（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、硝酸钾（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）、二乙烯三胺五甲叉膦酸七钠（DTPMP.Na7，山东省泰和水处理有限公司）。

（2）胶凝材料： P·O42.5 水泥（江苏镇江鹤林水泥厂）、Ⅱ级粉煤灰（江苏镇江谏壁电厂）、S95 级矿粉（江苏溧阳友邦矿粉厂，比表面积 400m2/kg）。

（3）聚羧酸减水剂：FOX-8H（苏州弗克科技有限公司），固含量 40%，减水率 30%。

（4）集料：Ⅱ 区中砂（洁净河砂，细度模数 2.6，含泥量 0%）、碎石（石灰石质，5～25mm 连续级配）。

（5）泥：将砂水洗后的泥浆烘干后，研碎，使泥恢复到自然的状态。

1.2 试验方法

1.2.1 阻泥剂溶液的制备

在 30℃ 的恒温水浴中，向反应容器中加入一定量的环氧氯丙烷，然后按一定比例缓慢滴加二甲胺水溶液（环氧氯丙烷与二甲胺的摩尔比为 1:1.2），低速搅拌，随后滴加适量的乙二胺为交联剂（环氧氯丙烷与乙二胺的摩尔比为1:0.01），紧接着加入亚硫酸钠和过硫酸钾为引发剂，然后升温至 70℃ 反应 6h 后停止。得到季铵盐型粘土稳定剂。将季铵盐型粘土稳定剂、硝酸钾、DTPMP.Na7、水按照质量百分比为 1:1:5:13 的比例配制成阻泥剂溶液。

1.2.2 试验及检测方法

通过向洁净的砂中加入处理后的泥来调整砂的含泥量，用以测试加入自制阻泥剂后聚羧酸对含泥量的敏感度。试验以 C40 商品混凝土配比为检验标准，具体配合比见表1。测试均按照国家标准 GB8076—2008《混凝土外加剂》和GB50204—2002（2011）《混凝土结构工程施工质量验收规范》及其他相关规定执行。

表1 C40 商品混凝土配合比 kg/m3

2 实验结果与讨论

用 FOX-8H 聚羧酸高性能减水剂与自制的阻泥剂复配，复配后的减水剂中 FOX-8H 的固含量为 20%，阻泥剂的固含量为 10%，调整砂的含泥量，用未复配固含量为 20% 的FOX-8H 与之对比，测试加入阻泥剂后聚羧酸对含泥量的敏感度。在测试结果中，将未加入阻泥剂的减水剂标记为 A，将加入阻泥剂的减水剂标记为 B。

2.1 阻泥剂对初始坍落度的影响

调整砂的含泥量后测试混凝土的初始坍落度，测试结果如图1 所示。

图1 阻泥剂对混凝土初始坍落度的影响

在含泥量低于 2% 时，聚羧酸的减水效果没有受到明显干扰，但随着含泥量的继续增加，未加入阻泥剂的混凝土初始坍落度迅速减小；当含泥量达到 6% 时，混凝土已经成为了干硬性混凝土。这说明粘土矿物在加水搅拌过程中产生的膨胀与分散导致粘土颗粒表面化学性能的改变和比表面积的增加对聚羧酸外加剂有着强烈的吸附作用。而加入阻泥剂的混凝土则初始坍落度变化不大，即使当含泥量达到 6% 时，混凝土的工作性能依然良好，说明自制的阻泥剂使聚羧酸对含泥量的敏感度有着明显的改善作用。这种阻泥剂利用粘土稳定剂和有机磷阻垢剂的协同作用，使聚羧酸高性能减水剂不与粘土表面直接接触，保证了聚羧酸减水剂对胶凝材料的减水效果。

2.2 阻泥剂对坍落度保持性能的影响

增加 FOX-8H 在混凝土中的掺量，使之与加入阻泥剂后的混凝土达到同样的初始坍落度，测试混凝土坍落度的经时损失，测试结果如图2 所示。

图2 阻泥剂对坍落度经时损失的影响

由图2 可以看出，阻泥剂对混凝土坍落度的经时损失有着明显的抑制作用。当含泥量为 2% 时，未加入阻泥剂的混凝土工作性能勉强保持 1h，而当含泥量为 3% 时，未加入阻泥剂的混凝土工作性能保持时间仅为 0.5h，并且这还是在聚羧酸增加掺量后的结果。随着时间的延长，在水和聚羧酸减水剂的共同作用下，粘土矿物充分分散，粘土颗粒的比表面积进一步增大，吸附的聚羧酸量增大，使得混凝土坍落度难以保持。而在加入阻泥剂后，季铵盐型粘土稳定剂和无机钾盐抑制了粘土的膨胀与分散，使粘土颗粒在较长的时间内可以保持稳定，不会干扰聚羧酸高性能减水剂对胶凝材料的减水作用。

3 结论

（1）在含泥量低于 2% 时，聚羧酸的减水效果没有受到明显干扰，随着含泥量的继续增加，未加入阻泥剂的混凝土初始坍落度迅速减小；当含泥量达到 6% 时，混凝土已经成为了干硬性混凝土。而加入阻泥剂的混凝土则初始坍落度变化不大，即使当含泥量达到 6% 时，混凝土的工作性能依然良好，说明了自制的阻泥剂使聚羧酸对含泥量的敏感度有着明显的改善作用。

（2）当含泥量为 2% 时，未加入阻泥剂的混凝土工作性能勉强保持 1h，而当含泥量为 3% 时，未加入阻泥剂的混凝土工作性能保持时间仅为 0.5h。而阻泥剂对混凝土坍落度的经时损失有着明显的抑制作用，能在 2 小时内保证混凝土的工作性能没有大的变化。

[1] 尚蕴果.季铵盐型粘土稳定剂的合成研究及防膨性能评价[D].中国海洋大学硕士学位论文[A]，2009: 1-13.

[2] 杨志冬，蔡圣权，秦爽，等.低渗强水敏油藏整体防膨注水开采技术研究与应用[J].特种油气藏， 2004,11(4): 86-88.[3] 马喜平，胡星琪，赵东滨，等.环氧氯丙烷-二甲胺阳离子聚合物的合成[J].高分子材料科学与工程学报，1996,12(4):50-54.

[4] Duk Jong Joo, Won Sik Shin, Young-Hun Kim. Effect of Polyamine Flocculant Types on Dye Wastewater Treatment[J].Speration Science and Technology,2008,38(3): 661-678.

[5] 黄宏周.工业表面活性剂（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2001: 100-101.