碱当量对减水剂在NaOH-矿渣水泥体系中吸附性能的影响研究

2021-07-08孙栋梁

重庆建筑 2021年6期

孙栋梁

（西卡四川建筑材料有限公司，重庆 402283）

0 引言

为了使水泥混凝土拌合物具有适宜的工作性能、力学性能、长期性和耐久性能，常在水泥混凝土体系中加入外加剂，减水剂是其中重要的一类。减水剂属于一类表面活性剂，其最重要的性质就是可降低体系表面自由能，对固相-液相界面来说，矿物颗粒表面固有的形状不能改变，因此表面能降低往往表现为对液体中表面活性剂的吸附行为[1]。在加入减水剂的碱矿渣水泥体系中，减水剂分子吸附在矿渣颗粒表面改变了界面的水化膜层结构、表面带电特性和水泥水化进程等。换言之，研究减水剂分子在碱矿渣水泥体系中的作用机理就是研究碱-矿渣-减水剂-水体系的物理化学现象及其变化规律[1-2]。

已有的研究对减水剂在不同溶液环境中的特征吸收光谱分析证明[3]，在高浓度的碱溶液环境中，木钙系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸盐系（AS）减水剂在碱矿渣水泥体系中能保持稳定的分子结构，而在普通硅酸盐水泥体系中适应性良好的聚羧酸系（PC）减水剂的长链结构遭到破坏，不能发挥减水塑化作用。相关试验数据[3]并未提及不同碱溶液浓度对减水剂吸附特性的影响，而在碱矿渣胶凝材料配合比设计中，碱组分用量应是首先确定的参数，碱组分用量不仅影响碱矿渣胶凝材料的拌合物性能，还影响其力学性能、长期性能和耐久性能，因此讨论碱组分用量对减水剂吸附特性的影响尤为重要。由于聚羧酸系（PC）减水剂长支链被解体[3]，这种结构的变化破坏了该减水剂的表面活性剂功能，不能继续提供有效的减水塑化作用，因此，本文选取了木钙系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸盐系（AS）减水剂，进一步研究碱组分用量对减水剂在NaOH-矿渣水泥体系中的吸附性能的影响。

1 原材料和试验方法

1.1 厡材料

矿渣（Slag）：比表面积为445m2/kg，密度为2.90g/cm3，化学成分如表1所示。

表1 原材料的化学成分

碱组分：实验用碱组分由某公司生产的氢氧化钠提供，NaOH含量大于99%。

减水剂：（1）木钙系（CL），阴离子型表面活性剂，粉末；（2）萘系（FDN），阴离子型表面活性剂，粉末；（3）氨基磺酸盐系（AS），阴离子型表面活性剂，液体，固含量33.6%。

水：自来水。

1.2 试验方法

（1）吸附量测试方法

仪器：TU1901紫外-可见分光光度计。

原理：朗伯-比尔定律[4]。

制备：分别将木钙系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸盐系（AS）减水剂和胶材配置成一定浓度的悬浊液，搅拌240s，离心机分离，将过滤澄清液稀释500倍，备用。

测试环境温度：20℃。

矿水比：1∶4。

胶凝材料：10g。

（2）动电电位测试方法

仪器：Nano ZS90纳米粒度-ZETA电位分析仪。

制备：分别将木钙系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸盐系（AS）减水剂和胶材配置成一定浓度的悬浊液，搅拌240s，立即将悬浊液注入电泳槽中[5-6]。

测试环境温度：20℃。

矿水比：1∶250。

胶凝材料：2g。

1.3 试验配合比

本次研究中，碱矿渣水泥体系使用的碱组分为NaOH，以碱（Na2O）当量控制其掺量。试验配合比见表2。

表2 试验配合比

2 结果与分析

2.1 碱当量不同时，减水剂在NaOH-矿渣水泥颗粒表面的吸附量（图1）

图1 碱当量不同时，减水剂在NaOH-矿渣水泥颗粒表面的吸附曲线

由图1可以看出，在NaOH-矿渣水泥体系中，当氧化钠当量在0～6%范围时，矿渣颗粒对木钙系（CL）、萘系（FDN）和氨基磺酸盐系（AS）减水剂的吸附能力随碱当量的增大而减小。

（1）木钙系（CL）减水剂组，碱当量为6%时，减水剂在NaOH-渣颗粒表面的吸附量为1.6mg/g，比不掺碱组分时降低了32%；

（2）萘系（FDN）减水剂组，碱当量为6%时，减水剂在NaOH-渣颗粒表面的吸附量为3.0mg/g，比不掺碱组分时降低了35%；

（3）氨基磺酸盐系（AS）减水剂组，碱当量为6%时，减水剂在NaOH-渣颗粒表面的吸附量为1.8mg/g，比不掺碱组分时降低了30%。

NaOH-矿渣水泥体系的碱组分在溶液环境中电离、水解后产生Na+、OH-，降低了水的表面自由能[2]，吸附在固体颗粒表面。此外，水解产生的OH-确定了体系水化产物的电势，在矿物颗粒表面形成减水剂分子和OH-离子的竞争吸附，OH-离子抢占了减水剂分子的吸附点，固体颗粒表面负电荷的绝对值增大，使矿物颗粒对减水剂带电基团的静电斥力作用增强。所以，随着碱当量的增大，溶液环境中OH-增多，静电斥力作用增强，矿物颗粒吸附阴离子型表面活性剂的量就减小[7-8]。

对不同种类减水剂而言，碱当量对其在NaOH-矿渣体系中的吸附量的影响也不同，这与减水剂分子特有的结构有关[9]，木钙系（CL）减水剂分子含有、-O-和大量的-OH，在溶液环境中容易水解成大分子两性离子，在矿物颗粒表面以刚性链垂直吸附的形式附着，使固体粒子带上同种电荷，从而静电斥力作用使矿物粒子分散；萘系（FDN）减水剂分子中含有、大π键，单环、多环、杂环芳烃，在多相非均匀溶液体系中，以柔性链横卧吸附在固体颗粒表面附着，产生较强的分散作用；氨基磺酸盐系（AS）减水剂分子、-NH2和一定量的-OH，吸附形式则主要以柔性链齿状为主。

2.2 碱当量对减水剂在碱矿渣水泥颗粒表面动电电位的影响

在NaOH-矿渣-水悬浊液体系中，矿物玻璃体在水化初期解体形成双电层，产生动电电位，体系状态属于分散或凝聚是由表面的带电状态决定的，NaOH-矿渣系统带电性质的综合指标可用动电电位值表征[6]。在悬浊液体系中，矿物粒子发生水解、解离、吸附等作用，使固体粒子表面带电，带电粒子在静电场作用下作相对运动，从而表现出动电电位，矿物粒子带电后产生的静电斥力作用是悬浊液体系的分散状态能够稳定保持的重要原因[10]。

由图2可以看出，氧化钠当量在0～6%的范围时，水泥颗粒表面的动电电位绝对值随氧化钠当量的增大而增大。

图2 碱当量对减水剂在碱矿渣水泥颗粒表面动电电位的影响

（1）木钙系（CL）减水剂组，碱当量为6%时，体系中NaOH-矿渣颗粒表面的动电电位为-24.1mV，比不掺碱组分时增大了35%；

（2）萘系（FDN）减水剂组，碱当量为6%时，体系中NaOH-矿渣颗粒表面的动电电位为-30.6mV，比不掺碱组分时增大了39%；

（3）氨基磺酸盐系（AS）减水剂组，碱当量为6%时，体系中NaOH-矿渣颗粒表面的动电电位绝为-26.1mV，比不掺碱组分时增大了42%。

碱组分（NaOH）的掺入使减水剂分子在矿物颗粒表面的吸附量减小，但却增大了固体粒子表面的动电电位，这与碱组分（NaOH）参与形成矿物粒子表面的扩散双电层有关：首先，NaOH-矿渣水泥体系的碱组分（NaOH）在水中电离、水解后生成OH-，大量的OH-进入界面双电层内增厚了扩散层，固体颗粒表面的负电荷增强；其次，随着OH-参与固体粒子表面的竞争吸附，减水剂分子的吸附点被OH-抢占，因此减水剂分子对悬浊液体系动电电位的贡献进一步减小，碱组分加入对体系动电电位的增强作用强于减水剂吸附量减少引起的动电电位损失，综合表现为水泥颗粒表面的动电电位绝对值随氧化钠当量的增大而增大。