粘土对聚羧酸减水剂性能影响的研究

李　虹，李　悦，吴淼可，刘雄飞

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)



粘土对聚羧酸减水剂性能影响的研究

李虹，李悦，吴淼可，刘雄飞

(北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124)

摘要：因为混凝土粗细骨料中粘土对聚羧酸系减水剂减水效果影响显著，该文研究了不同粘土含量对掺加聚羧酸减水剂的砂浆流动度，3 d、28 d抗压强度和抗折强度的影响。结果表明，当粘土含量为3%、6%及9%时，砂浆初始流动度分别比不掺粘土砂浆降低了20%、40%和52%，3 d龄期时的抗压强度分别降了10.7%、17%和19.7%，28 d龄期时的抗折强度分别降低了8%、14.6%和27%，试验结果说明了粘土的存在会降低聚羧酸减水剂的减水效果以及制备的砂浆抗压和抗折强度。

关键词：聚羧酸减水剂；粘土；流动性；抗压强度；抗折强度

聚羧酸减水剂(PCE)是由带有磺酸基、羧基、氨基以及含有聚氧乙烯长链等功能基团的大分子化合物，在以水为溶剂的条件下，通过自由基共聚原理合成的具有梳型结构的高分子表面活性剂。从国内外发表的研究论文和公开专利[1-4]来看，根据其主链结构的不同可以将PCE产品分为两大类：一类以丙烯酸或甲基丙烯酸为主链，一类以马来酸酐为主链。PCE作为第三代减水剂，和前两代减水剂相比，其具有超高的减水率，可在低掺量时达到高减水率的减水效果[5-7]。使用PCE可用更多矿渣、粉煤灰取代水泥，从而降低成本。因此，PCE成为目前国内外化学外加剂研究与开发的重点与热点[8]。然而，砂石泥土的层间结构和所包含的氯离子、镁离子等高价金属离子会大量吸附减水剂，使减水剂失去活性[9]。羧酸减水剂对砂石中粘土具有高敏感度、强结合性等特点，所以砂石中泥土含量很大程度上影响了羧酸减水剂的减水效果。为此国内外学者对于粘土对PCE的减水效果进行了大量的研究。例如：王子明[10]等研究了两种不同粘土对掺加PCE砂浆的流动度影响，发现这两种粘土对砂浆流动性影响相差很大。不同粘土对PCE减水效果的影响程度也不一样，膨润土较高岭土要大得多。高岭土对PCE吸附量为水泥的数倍，而膨润土为水泥的数十倍。水泥对PCE的吸附量随时间增加不断增长，而粘土对PCE的吸附在一开始达到平衡。张丽超[11]对骨料中泥土的含量对PCE工作性能的影响做了研究，得出结论：土的类型影响到了它对外加剂的吸附能力，其中土的稠度是因素之一。当外加剂和土的掺量为某一定值，继续增加外加剂和土的掺量，混凝土的流动度也不再增加，反而减小。黄天勇[12]研究了粘土及石灰石粉对水泥浆体性能的影响，认为无论是掺入PCE还是萘系减水剂，水泥净浆流动度在各个时期均随着粘土掺量的增加而明显降低。

综上所述，关于粘土与PCE结合原理的研究比较充分，但对粘土对含PCE砂浆的流动性及强度的影响研究比较少，所以该文对相同PCE含量不同粘土含量的砂浆的经时流动性，以及3 d、28 d抗压、抗折强度进行了研究。

1原材料

水泥：普通早强型硅酸盐水泥P.O 42.5R，其组分含量如表1所示；砂子：ISO标准砂；水：自来水；减水剂：天津冶建特种材料有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量39.8%，主链结构为马来酸酐；粘土：取自市区花坛，各项物理性质指标如表2所示。试验前将粘土过0.08 mm筛去除内部砂子及大颗粒，所得粘土粒径范围为小于0.08 mm的粉质粘土。

表1　水泥化学成分及其熟料的矿物组成　w/%

表2　试样用土物性指标

2试验方法

2.1　确定PCE与水泥之间的相容性

根据《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2000)确定无粘土掺入的水泥砂浆PCE掺量饱和点。在水泥净浆搅拌机中依次加入1 350 g砂，540 g水泥，177 g水和4 g PCE。往后依次增加1 g PCE用量，如上述步骤测量其初始流动度，直到砂浆初始流动度不再增加为止。

2.2　粘土不同掺量下水泥胶砂的流动性

试验选择内掺粘土等量取代标准砂，粘土掺量分别为砂的0%、3%、6%和9%，配合比如表3所示。各组PCE减水剂掺量不变，均为水泥的0.8%。砂浆水灰比为0.32，灰砂比0.4。根据《水泥胶砂流动度测试方法》(GB/T 2419—2005)分别测定各组砂浆初拌、拌合后30 min、60 min和90 min时砂浆的流动度。

表3　水泥胶砂配合比

2.3　粘土不同掺量的砂浆试块各龄期强度

根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)，将测试过90 min流动度的砂浆装入40 mm×40 mm×160 mm模具成型，1 d后拆模，放入标准养护箱内，分别养护至3 d、28 d，并测试相应的抗折和抗压强度。

3结果分析及讨论

3.1　砂浆的流动度

砂浆不同时期的流动度如表4所示，从中可以看出，砂浆的流动性随着时间的增长有降低的趋势。砂浆中粘土掺量越多，砂浆的初始流动度越小。这说明粘土对PCE的吸附量大于水泥，才导致砂浆的流动性迅速降低。在1号和2号中，砂浆在0 min时的流动度要比30 min、60 min及90 min都小，出现这种现象的原因是粘土与PCE的结合速率要大于水泥[10]，当新拌砂浆时，PCE都先与粘土结合被束缚，导致新拌的砂浆流动度非常小。随着时间的增长，粘土对PCE的吸附力减弱，水泥开始逐步与PCE反应，才致使砂浆的流动性又逐步增大，且在60 min左右PCE已于水泥反应完毕，60 min之后时测流动性由于经时损失才会又逐步减小。3号中由于粘土含量过高，导致其初始流动度很小，后续即使在30 min时略有所增加，由于粘土对PCE的吸附力很大，PCE无法再与水泥反应，致使砂浆在60 min及以后也已失去了流动性。图1为试验照片。

表4　砂浆拌合后不同时间的流动度　/mm

3.2　粘土掺量一定时PCE掺量的饱和点

当骨料中的粘土含量一定时，测定向砂浆内多加PCE能否再使流动度达到未含粘土的砂浆的初始流动度。试验结果如表5所示，选取序号1的配合比，当粘土含量为3%时，PCE初始掺量为4.3 g，测定其初始流动度为180 mm，此后，每次向砂浆中增加1 g PCE，并测试定其初始流动度，直到砂浆的流动度与不含粘土的砂浆的流动度相当为止。此时PCE的掺量为6.3 g，其流动度达到未掺加粘土的砂浆的流动度220 mm，说明此时被粘土吸附的PCE已经被再次添加的PCE抵消，其初始流动度已恢复正常。当粘土含量为9%时砂浆的初始流动度仅为115 mm，以1 g为单位逐步添加PCE。当再向砂浆中加6.4 g PCE时，其流动度达到最大值185 mm，即砂浆流动度已经达到饱和状态。理论上，当砂浆中粘土含量大时，需要更多的PCE与之反应，反应剩下的PCE继续与水泥反应，致使砂浆的初始流动度恢复与未含粘土的砂浆的初始流动度相同，但实际试验中却与之相悖，砂浆的初始流动度增加到一定程度以后便不再增加。出现这种现象的原因可能是，粘土吸附PCE后形成的物质会阻碍砂浆流动。当粘土含量少时，生成物量少，阻碍流动性不明显；当粘土含量达到9%时，粘土与PCE反应的生成物量大，致使砂浆的流动性无法再随PCE的增加而增加。

表5　不同PCE含量的砂浆流动度　/mm

3.3　砂浆的抗压和抗折强度

图2和图3为各砂浆试块3 d、28 d的抗折和抗压强度，从中可以看出，3 d时，粘土含量3%与6%的试块的抗折强度与不含粘土的试块接近，但含量9%的试块抗折强度明显低于其他3组；28 d时试块的抗折强度随含粘土量的增加而明显降低，分别降低了8%、14.6%和27%。3 d时试块的抗压强度随着粘土含量的增大依次减小，分别降低了10.7%、17%和19.7%，强度降低相当明显；28 d时，抗压强度相差不多。可见粘土对砂浆的28 d抗折强度影响较大，而对早期抗压强度影响明显。分析原因可能是：粘土没有胶结能力，但由于粒度较小，在水泥砂浆中存在微集料效应，可以改善颗粒级配。抗折强度和抗压强度虽然都与胶凝材料强度有关，但抗折强度受浆体的缺陷影响更为显著，而抗压强度受颗粒级配影响更为显著。粘土颗粒相对水泥水化产物及集料而言可以作为缺陷考虑。因此抗折强度随粘土掺量增加而降低；对于抗压强度而言，由于颗粒级配的改善，抗压强度变化不显著。

4结论

a.粘土对PCE的减水效果有较大影响，尤其是当粘土含量超过9%时，砂浆的初始流动度显著降低。

b.粘土优先于水泥吸附PCE，致使砂浆在60 min以后的流动度较之前略有所增加。

c.当粘土含量低于6%时，增加PCE的掺量可以使砂浆的流动度达到原始流动度。当粘土含量过高时，即使再向砂浆中加PCE，也无法使流动度恢复。

d.砂浆的早期抗折强度在粘土掺量6%以内时变化不显著，掺量大于6%后抗折强度显著降低，但抗压强度会随着粘土掺量的增加而显著降低。砂浆的后期抗折强度随着粘土掺量的增加显著降低，而抗压强度变化不显著。

参考文献

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Research of the Impact of Clay to the Poly Carboxylic Acid

LIHong,LIYue,WUMiao-ke,LIUXiong-fei

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering,Ministry of Education,

Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)

Abstract:This paper studies the impact of different clay content on the flowability of mortar with poly carboxylate acid.Compressive and flexural strength of the mortar in 3 d and 28 d are also researched.The results show that,compared with the mortar without clay,when the clay content of mortar is 3%,6% and 9%,the initial fluidity decrease for 20%,40% and 52%,compression strength of 3 d decrease for 10.7%,17% and 19.7%,flexural strength of 28 d decrease for 8%,14.6% and 27% respectively.The exist of the clay decreased the work of poly carboxylate acid and the compressive and flexural strength of the mortar.

Key words:poly carboxylic acid;clay;fluidity;strength

作者简介：李虹(1991-)，硕士生.E-mail:lihong8010@163.com

收稿日期：2015-10-10.

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.06.002