不同粘土對聚羧酸減水劑的吸附影響

邱茂生，周漢章

（1. 廣州臨海混凝土有限公司，廣東 廣州 511466；2. 長沙益友建筑科技有限公司，湖南 長沙 523820）

0 前言

隨著我國工民建的進一步發展，優質的天然砂石數量銳減，加上環保部門對河流的保護加大了對砂石清洗的嚴控，泥不可避免的存在于砂石骨料中而且含量越來越高。骨料是混凝土原材料的重要組成部分，約占水泥混凝土體積質量比例的 70% 左右，骨料品質的優劣直接影響著混凝土的性能及質量安全，泥會嚴重抑制聚羧酸減水劑的分散性尤其對混凝土工作性能、力學性能以及耐久性等有較大程度的影響。

1 粘土對聚羧酸減水劑吸附機理

泥又稱為粘土，粘土對聚羧酸減水劑的吸附機理比較復雜，主要與粘土的層狀結構和大的比表面積導致其具有很強的吸附性有關。由于粘土吸附大量自由水，使得混凝土用水量不足無流動性，另外最主要的原因是粘土的層間結構會使其吸附大量聚羧酸減水劑，使得具有減水分散性能的有效減水劑含量大大減少[1]。眾多學者對聚羧酸減水劑在粘土上的吸附機理進行了詳細探索，研究認為聚羧酸系減水劑在粘土上的吸附表現為物理吸附和化學吸附[2]。微觀作用機理是粘土與聚羧酸系減水劑分子的主要作用方式是陰離子靜電吸附，粘土的片層間距不足以容納像 PC 分子一樣的大分子。吸附于粘土表面的PC 分子將其 PEO 側鏈伸入到粘土片層中間，不僅引起粘土的片層間距擴大，粘土的吸水能力增強，而且導致其無法發揮空間位阻效應[3]。從聚羧酸減水劑分子結構考慮，發現不同類型含有梳型側鏈結構的聚羧酸減水劑對泥都非常敏感，這是由于泥粉中的勃土質礦物層間結構與聚羧酸減水劑的梳型側鏈結構連接比較匹配，聚羧酸減水劑大部分是以化學吸附的方式插層于勃土質礦物中，而不是以電荷吸附的方式吸附于勃土礦物質的表面。[4]

2 粘土的類型及結構特點

《硅酸鹽辭典》中對粘土的描述是：粘土是自然界中硅酸鹽巖石經過長期風化作用而形成的一種土狀礦物。粘土不是單一礦物，而是多種含水鋁硅酸鹽礦物的混合體[5]。泥中的粘土礦物種類很多，但主要以蒙脫石類、高嶺石類和伊利石類為主。其主要化學組成是 SiO2、Al2O3和結晶水，但也因地質條件不同還會含有 Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等，粘土的礦物分類見表 1。

粘土的結構類型有三種：（1）蒙脫土，化學結構式為 (Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2·nH2O，兩層硅氧四面體晶片與一層鋁氧八面體晶片形成單元晶層，單元晶層上下表面都是氧原子，可吸附等電量的陽離子或水化陽離子。層間以分子間作用力連接。（2）高嶺土，化學結構式為 2Al2O3·4SiO2·4H2O，由一片鋁氧八面體晶片和一片硅氧四面體晶片構成單元晶層。層間以氫鍵粘結，連結緊密。（3）伊利土，化學結構式為(K,Na,Caz)m(Al,Fe,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4·nH2O，兩層硅氧四面體晶片與一層鋁氧八面體晶片構成單元晶層。層間以鉀離子粘結，連接緊密。

粘土的化學組成及含量見表 2。

表1 粘土的礦物分類

表2 粘土的化學組成及含量

3 粘土對聚羧酸外加劑的吸附試驗

3.1 試驗主要材料

（1）蒙脫土，阿拉丁試劑廠生產，為天然鈣基蒙脫土，比表面積為 15～35m2/g。

（2）伊利土，廣州嘉亮礦業有限公司生產，比表面積為 8.2m2/g。

（3）高嶺土，廣州嘉亮礦業有限公司生產，比表面積為 6.0～10.0m2/g。

（4）水泥，臺泥 P·O42.5R 水泥。

（5）標準砂，廈門標準砂廠產 ISO 標準砂。

（6）河砂，東江Ⅱ區中砂，細度模數 2.6，含泥量為 0（洗水處理）。

（7）石，惠州石廠，5～25mm 連續級配，壓碎指標 11%，含泥量為 0（洗水處理）。

（8）粉煤灰，沙角電廠Ⅱ級煤灰，細度 19%。

（9）礦渣粉，日照 S95 礦粉，28 天活性大于95%。

（10）水，自來水，符合飲用水標準。

（11）外加劑，東莞洛美建材 LM-S2 聚羧酸減水劑，減水率大于 25%，含固量 20%。

3.2 水泥凈漿流動度試驗

按 GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》測定，為了便于和不含粘土的水泥凈漿進行比較，固定水膠比為 W/C=0.29，即水 87g、水泥300g，采用將聚羧酸減水劑（折固后摻 1.5% 摻量）0.9g 和 300g 水泥加入到水泥凈漿攪拌機后，各種粘土按照水泥質量的百分比以外摻的方式加入，分別測量初始流動度和 30 分鐘、60 分鐘的凈漿流動度，詳細內容見表 3。

從表 3 中可以看出三種不同類型粘土在不同的摻量下對水泥的凈漿流動度影響很大，三種粘土的共同之處在于隨著粘土摻量的增加水泥凈漿流動度逐漸減小，隨著伊利土摻量的增加初始流動度差別不大，30 分鐘、60 分鐘、90 分鐘凈漿流動度損失不明顯。高嶺土在摻量 1% 時初始流動度與基準無差異，30 分鐘、60 分鐘、90 分鐘后凈漿流動度逐漸減小，摻量 4%、5% 時初始流動度一般，60 分鐘、90 分鐘后凈漿坍損大。蒙脫土對外加劑的吸附最大，當摻量為 1% 時初始流動度比伊利土、高嶺土小而且 90分鐘后凈漿流動度損失明顯，當摻量為 2% 時初始流動度與摻量 1% 初始流動度相比差異非常大，而且60 分鐘后已經無流動度，隨著摻量增加到 4%、5%后 30 分鐘后已經沒有凈漿流動度，蒙脫土對水泥凈漿流動度負作用最大。

表3 水泥凈漿流動度試驗結果

3.3 不同粘土不同含泥量對聚羧酸減水劑混凝土工作性能的影響

選取普通泵送混凝土 C30 強度等級配合比為：水泥 190kg/m3，粉煤灰 80kg/m3，礦粉 60kg/m3，砂790kg/m3，石子 1085kg/m3，水 155kg/m3，外加劑6.6kg/m3。砂子和石子經過水洗曬干含泥量為 0，不同粘土按石子用量百分比作含泥量增量添加試驗數據，見表 4。

從表 4 可以看出，C30 基準配方在砂石無含泥的情況下外加劑摻量為 1.8%，混凝土出機狀態好，初始坍落度/擴展度為 220mm/580mm，60 分鐘后幾乎無坍損。按不同摻量摻入伊利土后，當粘土含量為1% 和 2% 時出機狀態良好，粘稠度一般；當粘土含量為 3% 和 4% 時混凝土出機狀態一般，60 分鐘后有一定坍損；當摻到 5% 時料出機很粘稠，初始擴展度小，坍損大。當摻高嶺土為 1%～2% 時，混凝土初始狀態良好，60 分鐘后坍落度和擴展度與初始相當；當粘土摻到 4% 時混凝土開始變得特別粘稠；摻到 5% 時混凝土初始狀態打不開。在三種粘土中蒙脫土吸附減水劑能力最強，當粘土摻量為 1% 時初始坍落度/擴展度為 200mm/500mm，比伊利土和高嶺土初始狀態小，60 分鐘后坍損大；當摻到 2% 時混凝土出機明顯變粘稠，60 分鐘后坍損非常明顯；當摻量為 3% 時混凝土出機特別粘稠，無工作性能；摻量3% 以上混凝土狀態打不開。

表4 混凝土工作性能試驗結果

3.4 粘土對摻聚羧酸減水劑混凝土工作性能影響分析

骨料中不同類型的粘土，不同的粘土含泥量對摻聚羧酸減水劑的混凝土有很大的負面影響，主要原因是粘土對減水劑的吸附量與吸附速率遠大于水泥對減水劑的吸附，從而使得和水泥顆粒作用的減水劑大量減少，影響聚羧酸在混凝土中的分散性能。三種粘土中蒙脫土對聚羧酸外加劑吸附性最強，有相關試驗證明蒙脫土對含有聚氧乙烯側鏈的聚羧酸最大吸附量是 400mg/g，大約是普通硅酸鹽水泥的100 倍，因為普通聚羧酸減水劑的長側鏈容易進入到粘土土層間結構中，側鏈中的醚鍵與蒙脫土層間的官能團形成氫鍵，使側鏈錨固在其中導致水泥吸附聚羧酸減水劑的量減少[6]，產生的空間位阻效應也會受到很大的影響，水泥顆粒的分散會受到影響，從而影響漿體的分散性能。

4 總結

粘土的結構復雜、種類繁多、性質各異，在自然界中廣泛存在。粘土對混凝土性能的影響與其粘土種類和含量密切相關[5]，但無論是何種粘土對混凝土的工作性是不利的，隨著骨料中粘土含量的升高，新拌混凝土的流動性下降，當含泥量超出某一范圍時影響顯著，前期表現為影響施工無工作性能，在骨料的選擇上應特別注意不同粘土的性能及含量對混凝土的影響，從而避免工程質量事故。