不同粘土对聚羧酸系减水剂应用性能的影响

王子明，程勋，李明东

（1. 北京工业大学材料学院，北京；2.中国中铁隧道集团有限公司北京中铁隧建筑有限公司，北京）

1 前言

聚羧酸系减水剂不仅与水泥存在着相容性问题，用于不同水泥体系时会表现出不同的性能。对某种水泥表现良好流动性和流动性保持能力的聚羧酸系减水剂，用于其它水泥时，可能表现出流动度损失过快，或者流动性随时间增加现象。此外，还发现有时掺加聚羧酸系减水剂的水泥浆体的净浆流动度2个小时不损失，但使用同样的水泥拌制的新拌混凝土在30分钟内失去流动性，水泥净浆流动性结果与混凝土流动性结果表现出很大的差异，这说明混凝土中除水泥之外的其它原材料与聚羧酸系减水剂也存在着相容性问题。工程实践和实验室研究表明，砂石含泥量对掺加聚羧酸系减水剂混凝土的流动性及其保持性能具有显著的影响，但对粘土的影响机理和解决措施还没有系统研究。

为了更好地在工程中使用聚羧酸系减水剂，扩大聚羧酸系减水剂的应用范围，保证混凝土的施工和质量，有必要研究粘土对聚羧酸系减水剂的应用性能的影响，找出粘土对聚羧酸系减水剂性能的影响规律和影响机制，为今后新型减水剂聚合物的设计提供依据。

2 试验原材料和试验方法

2.1 原材料

水泥采用基准水泥（80μm筛余量0.5%），其化学成分见表1。砂子采用细砂，细度模数Mx=0.93，水采用自来水。粘土按其矿物组分可以分为高岭土和膨润土，试验选用2种粘土的化学成分如表2 所示。采用三种不同的聚羧酸系减水剂，分别记为PCE-1、PCE-2和PCE-3。PCE-1和PCE-3是聚醚类的聚羧酸减水剂，PCE-2聚酯类的聚羧酸减水剂，三种聚羧酸系减水剂的物理性能指标见表3。

2.2 实验方法

a) 砂浆流动度试验方法

砂浆配比∶水泥∶细砂∶水 = 450∶500∶185，聚羧酸系减水剂掺量0.2%（有效成分占水泥质量百分数），粘土掺加采用内掺法替代细砂。测定空白砂浆和不同粘土掺量的砂浆的初始流动度和保留流动度。

b) 吸附量试验方法

准确称取40g水于烧杯中，加入定量减水剂（使其减水剂浓度和净浆液相的浓度一样），再加入10g的粉料搅拌，分别于5min、30min、60min、90min、120min取部分均匀浆体在高速离心机上以6000r/min的转速离心分离5min，再取其上部清液稀释1000倍后，进行TOC分析。

表1 基准水泥化学成分 %

表2 粘土的化学分析 %

表3 各减水剂的物理性能指标

3 结果与讨论

3.1 粘土对砂浆流动度的影响

掺加3种聚羧酸系减水剂的砂浆流动度及其随时间变化结果见图1、图2和图3。可见高岭土和膨润土对砂浆流动度及其损失的影响规律有很大的区别。膨润土的加入对各种掺加减水剂砂浆的流动性都有很大的影响， 掺加PCE-2的砂浆在膨润土掺加量为1%时，其初始流动度和2小时后的流动度仍大于200mm；PCE-1和PCE-3在膨润土掺量为1%已经受到严重影响，在掺量超过2%后，都失去了分散作用。

从初始流动度来看，随着高岭土掺量增加，掺加PCE-1的砂浆流动度均匀快速下降，没有明显的拐点；掺加PCE-2的砂浆流动度在高岭土掺量超过5%后，流动度及其保持性能开始快速下降；PCE-3对高岭土表现出较大的敏感性，在高岭土掺量超过1%后，流动性开始快速下降。从流动度保持来看，高岭土对掺加PCE-2的砂浆影响较小，只有在高岭土掺量超过6%时，其60分钟和120分钟的流动度才会较初始流动度小，而且在3%～5%范围内时，其60分钟和120分钟的流动度的增长幅度最大；掺加PCE-1的砂浆在高岭土掺量不到5%时就损失得较厉害，小于初始流动度；而PCE-3在高岭土掺量5%时，其试样的保留流动度已完全损失。

此外，不同类型的聚羧酸系减水剂受粘土影响的程度不同，聚酯类聚羧酸系减水剂（PCE-2）对粘土的敏感性较低，而聚醚类聚羧酸系减水剂更容易受到粘土的影响。根据高岭土对这不同聚羧酸系减水剂砂浆流动度的影响临界含量，评价不同聚羧酸系减水剂对粘土的敏感性，结果如表4所示。

表4 不同减水剂受到明显影响的高岭土临界用量

3.2 各种聚羧酸系减水剂在水泥和粘土颗粒上的吸附

测定聚羧酸系减水剂在水泥和粘土颗粒上的吸附量和吸附量随时间的变化规律，结果见图4、图5和图6。

图4为3种PCE减水剂在基准水泥的吸附量及其经时吸附曲线，从图中可以看出，三种聚羧酸系减水剂在水泥颗粒上的吸附量基本差距不大，随着时间的延长，吸附量呈增加趋势。每克水泥吸附的聚羧酸系减水剂约为2～4mg。

图5和图6分别为高岭土和膨润土对各种PCE的吸附及其经时曲线。可以看出，高岭土和膨润土的对各种聚羧酸系减水剂表现出强烈的吸附，聚羧酸系减水剂在高岭土上的吸附量约为10～20mg/g，约是水泥颗粒吸附量的5～10倍；聚羧酸系减水剂在膨润土上的吸附量约为110～120mg/g，约是水泥颗粒吸附量的50倍；此外，聚羧酸系减水剂在高岭土和膨润土上的吸附量随时间变化不大，说明粘土对聚羧酸系减水剂的吸附很快，初始就将达到其平衡吸附量。

比较分析粘土对掺加聚羧酸系减水剂砂浆的流动性及其保持的影响和聚羧酸系减水剂在不同颗粒上吸附量结果，可以认为，高岭土和膨润土对聚羧酸系减水剂的强烈吸附是影响砂浆流动性的重要原因。粘土吸附了较多的聚羧酸系减水剂分子，剩余用于分散水泥颗粒的聚羧酸系就不足了，所以砂浆流动性变小。膨润土对聚羧酸系减水剂的吸附量更大，对砂浆流动性的影响更大，这与前一部分流动度实验结果也很吻合。PCE-2在高岭土颗粒上的吸附量较低，所以对砂浆流动度影响较小。膨润土对这几种减水剂的吸附量是水泥的50倍左右，所以仅掺1%膨润土时砂浆的流动度就损失殆尽。

3.3 减小粘土对砂浆流动性影响的措施

从以上砂浆实验结果中，我们可以看到粘土对砂浆流动度的影响很大。当高岭土的含量超过一定值时，流动度要下降很多，而膨润土的临界含量甚至只有1%。现实工程中必须对砂石原材料的含泥量严格要求（特别是膨润土），而这在我国很多地区比较难实现。聚羧酸减水剂就是一种低掺量的、对粘土敏感的高效减水剂，所以砂石原材料的波动很容易影响工程的质量。如果能够找到一种吸附速率比聚羧酸系减水剂还要快的物质，就能够减小对聚羧酸系减水剂的吸附，从而降低粘土对聚羧酸系减水剂性能的影响。

试验选用了一种小分子的聚合物XS-L与聚羧酸系减水剂复合使用来改善粘土对砂浆流动度的影响。固定高岭土掺量为5%，膨润土掺量为1%，其他条件不变，结果见图7～图10。实验结果表明XS-L本身对砂浆流动度没有贡献，但与聚羧酸系减水剂复合使用时，砂浆的初始流动度以及其保留流动度都有较大的提升，说明XS-L可以抵抗粘土负作用。XS-L对2种受粘土影响较大的减水剂（PCE-1和PCE-3）的砂浆流动度提高和保持有较大的作用。

4 结论

1）粘土对聚羧酸减水剂在实际应用中的效果有较大的负作用，负作用大小与聚羧酸系减水剂本身种类和性质有关；

2）不同的粘土对聚羧酸系减水剂的影响程度也不一样，膨润土较高岭土要大得多；

3）高岭土对聚羧酸系的吸附量是水泥的数倍，而膨润土对PCE的吸附量是水泥的数十倍；

4）水泥对聚羧酸系的吸附量随时间不断增长，而粘土对PCE的吸附在初始就将达到其平衡；

5）XS-L有抵抗粘土对掺聚羧酸系减水剂影响的作用。

[1]刘国栋.砂子泥含量对掺聚羧酸减水剂混凝土强度的影

[2]响[J].水泥与混凝土,2009（1）:22-25.刘国栋，关志梅，魏春涛.砂子含泥量对掺用聚羧酸高效减水剂混凝土性能的影响及有效对策[J].商品混凝土，2005（3）：15-18.