聚合物改性水泥基材早期水化吸附作用研究

白皓

摘要：随着我国“2035年远景目标建议”的提出，满足极端环境和复杂荷载条件的新材料设计成为人们关注的重点问题。本文基于水泥基材早期水化过程对聚合物吸附作用进行深度研究，研究发现聚合物吸附处于吸附与解吸附的动态平衡状态，且吸附量还受到矿物呈现电荷的不同分散吸附量也略有区别。

关键词：聚合物;水泥基材;早期水化;吸附

引言

聚合物因成本较低、使用便捷，可保证混凝土的流动性、保水性，有效提高混凝土基材的耐久性、抗化学腐蚀性、抗冻融性、良好的力学性能及延展性能，作为混凝土高性能化的有效途径之一[1]。常见改性聚合物水泥基材制备由均匀分散的聚合物乳液[2-3]与水泥基材经一定配比充分拌和制得，且根据聚合物乳液对水泥基材处理方式的不同，对水泥基材的改性效果也存在较大差异。

针对聚合物与水泥基材之间的作用原理，众多学者提出了不同的见解。目前，普遍认为[4-6]水泥基材由硅酸盐、铝酸盐两大类的熟料组成。液体环境条件下，铝酸盐固体表面呈现负电荷，由于范德华力作用易于吸引呈现正电荷的聚合物颗粒靠近，并吸附于其固体表面阻碍铝酸盐进一步与水接触，延缓初始反应程度。而硅酸盐所含的钙离子与水接触后易于溶解释放，促使硅酸盐表面呈现负电荷，但被释放出的钙离子环游在硅酸盐表面，间接性促使硅酸盐矿物能够吸附呈正电荷的聚合物。但聚合物掺量与水泥基材早期水化促使的吸附关系还尚不清楚。因此，基于水泥基材早期水化过程对聚合物吸附作用进行深度研究，为实现新材料配合比设计和结构设计提供依据。

一、试验设计

1.1 试验材料

（1）水泥

本研究中使用PO42.5普通硅酸盐水泥，其水泥泥熟料化学与矿物组成如表1、2所示。所涉及的组成、含量与配比等，除特殊说明外，均采用质量分数（wt. %）。同时，试验使用Bettersize2000LD激光粒度分布仪测定水泥比表面积为1.367m2/g，中值粒径（D50）为44.37μm，粒径分布如图1所示。

（2）聚合物

本研究采用双酚A型环氧树脂（DYD128），含有大量的环氧基（-COOH）和羟基（-OH）。本试验采用乳化后的聚合物乳液进行试验。试验使用Bettersize2000LD激光粒度分布仪测定环氧乳液比表面积为1.314m2/g，中值粒径（D50）为1.452μm，粒径分布如图2所示。

1.2 试验方法

本研究以聚合物掺量（水泥质量的0.3%、0.7%、1.0%、2.0%、5.0%、10.0%、15.0%、20.0%）为变量，保持水灰比（0.35）不变，设计试验8组。具体试验步骤如下：

（1）试样制备：按配比称取一定量水泥、水、聚合物乳液，利用净浆搅拌仪低速搅拌2分钟，再高速搅拌2分钟。

（2）取20-30ml试样取至50mL离心管中，利用LD-4台式离心机在1500rpm转速条件下离心5分钟，取上部清液与烧杯中，利用大量清水进行稀释。

（3）利用“布氏漏斗—分液瓶—真空泵”组装成的过滤系统配合3μm圆形滤纸对稀释后的试样进行过滤，重复过滤3次，获取过滤后的上层清液。

（4）将上层清液存储在480mL结晶皿中，放置在155°C烘干箱进行烘干5h，待冷却后称取固体质量。

二、试验结果分析

本研究以聚合物掺量为变量，通过检测早期聚合物在水泥孔隙溶液中的残余量反算早期聚合物吸附量，确定聚合物掺量和吸附量的关系曲线和聚合物掺量和吸附率的关系曲线，如图4-5所示。

由图4聚合物掺量与吸附量关系曲线可知，在统一试验条件下，聚合物掺量与吸附量呈线性关系，且与聚合物完全吸附曲线相比，聚合物掺量越多，聚合物吸附总量逐渐增加，但增加趋势逐渐减弱。由图5聚合物掺量与吸附率关系曲线可知，随着聚合物掺量的增加，聚合物吸附率逐渐趋于某一定值，且聚合物掺量与吸附量呈自然对数关系。

经分析，聚合物吸附是空间中自由活动分子在范德华力作用下与水泥矿物固体表面发生吸附与解吸的动态平衡过程。聚合物掺量的提高将致使液相中聚合物浓度的提升，促进聚合物在水泥颗粒表面的吸附。同时，水泥基材由硅酸盐、铝酸盐两大类的熟料组成，不同的矿物熟料表面在液态环境中所呈现的电荷类型也不同，显正电荷的聚合物更易在呈现正电荷的水泥矿物表面富集。因此，本研究所使用的聚合物其含有大量的环氧基（-COOH）和羟基（-OH），具备较强的粘附力和分子极性。当聚合物掺量较少时，聚合物较离散的分散在水泥浆中，同一吸附位点不能得到吸附与解吸附的及时补充，为了保持吸附与解吸附的平衡条件，总体吸附量较少。而随着聚合物掺量的增加，聚合物在水泥的铝酸盐矿物表面大量富集，同一位置的吸附和解吸附能得到多个聚合物分析作用，總吸附量逐渐趋于定值。

三、总结

本文设计8组不同聚合物掺量的吸附试验。试验分析表明，聚合物吸附处于吸附与解吸附的动态平衡状态，液相中聚合物浓度的增加将提升聚合物在水泥基材矿物表面的吸附量，但当同一吸附位点能得到及时补充时，吸附量逐渐趋于定值。且吸附量还受到矿物呈现电荷的不同，分散吸附量也略有区别。

参考文献

[1]衡艳阳， 赵文杰. 聚合物改性水泥基材料的研究进展[J]. 硅酸盐通报， 2014， 33（02）： 365-371.

[2]俞亮， 张雷. 乳液对水性环氧树脂砂浆力学性能的影响[J]. 三峡大学学报（自然科学版）， 2020， 42（2）： 24-27.

[3]彭天闻. 水利工程中聚合物混凝土力学性能试验[J]. 黑龙江水利科技， 2019， 047（009）： 26-27， 59.

[4]Kong X. Research on the chemical mechanism in the polyacrylate latex modified cement system[J]. Cement and Concrete Research， 2015， 76： 62-69.

[5]Kong X. Retardation effect of styrene-acrylate copolymer latexes on cement hydration[J]. Cement & Concrete Research， 2015， 75： 23-41.

Kong X， Pakusch J， Jansen D， et al. Effect of polymer latexes with cleaned serum on the phase development of hydrating cement pastes[J]. Cement & Concrete Research， 2016， 84： 30-40.