新型SAF減水劑及其作用機(jī)理研究

王天印

洛陽黃河同力水泥有限責(zé)任公司（471600）

高效減水劑的使用不但改善了新拌混凝土的工作性能，而且從微觀、亞微觀層次上改善了硬化混凝土的結(jié)構(gòu),提高了混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性能，同時(shí)，減水劑的研究和應(yīng)用促進(jìn)了混凝土生產(chǎn)、施工工藝以及新型混凝土的發(fā)展[1]。隨著泵送混凝土、水下澆筑混凝土、噴射混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土等新技術(shù)的快速發(fā)展，高效減水劑成為混凝土技術(shù)發(fā)展不可或缺的一種關(guān)鍵材料[2]。脂肪族磺酸鹽高效減水劑以其減水率高,適應(yīng)性強(qiáng)和成本低等優(yōu)勢(shì)而得到廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

1）試驗(yàn)用ZY型SAF減水劑由實(shí)驗(yàn)室合成。

2）水泥。采用DL水泥廠生產(chǎn)的P.O.42.5水泥，其熟料化學(xué)成分和礦物組成如表1所示。

表1 水泥熟料的化學(xué)成分及礦物組成

3）參比減水劑。UNF萘系減水劑，市購(gòu);ZF脂肪族磺酸鹽減水劑，含固量31.2%，市購(gòu)。

1.2 試樣制備

1）將所合成的縮聚物樣品經(jīng)烘干、磨細(xì)并經(jīng)乙醇沉淀后,過濾干燥,用KBr壓片后用富里埃紅外光譜儀進(jìn)行分析。

2）在燒杯中加入lg水泥，然后加入400 ml質(zhì)量濃度為4 g/L的合成樣品高效減水劑溶液，即水灰比400，人工攪拌5 min后，將懸浮液注入電泳槽內(nèi)，開始進(jìn)行第一次動(dòng)電電位(ξ電位)測(cè)定，以后每隔15 min測(cè)定一次，60min后結(jié)束。用不摻減水劑的水泥漿體系的ξ電位,作為空白樣對(duì)照試驗(yàn)。

3）混凝土減水率及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用DL水泥廠P.O.42.5水泥、碎石、中砂。基準(zhǔn)混凝土配合比為C=310 kg/m3，C：S：G=1：2.27：3.40，W/C=0.58。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 紅外光譜的測(cè)定結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)室合成的ZY型SAF紅外光譜如圖1所示。

圖1 ZY型SAF的紅外光譜圖

可以看出，3 413 cm-1為羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 647 cm-1為羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 184 cm-1和1 048 cm-1為S-O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰,認(rèn)定脂肪族羥基磺酸鹽高效減水劑為含有羥基、羰基和磺酸基等親水基團(tuán)的高分子化合物。

2.2 Zeta電位特征分析

由于水泥的水化過程中具有雙電層和電動(dòng)電位的存在，因而ξ電位值就可以做為水泥—水體系動(dòng)電性質(zhì)的綜合指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 水泥—合成SAF—水體系的ξ電位

由圖2可以看出，未摻減水劑的水泥膠粒表面的ξ電位隨著時(shí)間的變化由正變?yōu)樨?fù)。這是由于水泥的主要礦物成分是C3S、C2S、C3A、C4FA,其中硅酸鹽水化物的粒子在水分散體系中帶負(fù)電,而鋁酸鹽水化物粒子帶正電。水泥水化初期，C3A首先發(fā)生水化反應(yīng)，因此測(cè)得水泥粒子帶正電，隨著水化過程的進(jìn)行，C3S開始水化，使帶電負(fù)粒子逐漸增多，因此測(cè)得的水泥粒子的ξ電位逐漸變?yōu)樨?fù)值。水泥分散體系中摻加減水劑主要是分散占水泥成分較多的C3S、C2S,通過靜電斥力和立體位阻使水泥漿體處于流態(tài)化。

當(dāng)水泥分散體系中摻加減水劑時(shí),陰離子型的脂肪族磺酸鹽減水劑在水中電解后被水泥顆粒吸附使其帶負(fù)電荷。所以加入脂肪族磺酸鹽減水劑的水泥漿體的初始ξ電位為負(fù)值，且ξ電位的絕對(duì)值比空白試樣的ξ電位值高。吸附減水劑的結(jié)果使水泥粒子表面雙電層發(fā)生變化，ξ電位負(fù)值大大增加,因此初始水泥凈漿流動(dòng)和混凝土初始坍落度都增加較大。由圖2可知ZY型SAF的ξ電位的初始絕對(duì)值為31 mv左右，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，帶相反電荷離子的作用使擴(kuò)散雙電層逐漸變薄，ξ電位絕對(duì)值逐漸降低，當(dāng)靜電斥力小于水泥粒子間的凝聚力時(shí),固體粒子就容易克服靜電擴(kuò)斥力而發(fā)生聚集，導(dǎo)致?lián)郊覵AF的混凝土的坍落度也相應(yīng)降低。

2.3 減水率與強(qiáng)度

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 摻SAF的混凝土各齡期強(qiáng)度及減水劑的減水率

可以看出,在相同摻量下ZY型SAF的減水率最高，ZF脂肪族和UNF萘系減水率相差不多,且減水率均大于12%，符合高效減水劑的標(biāo)準(zhǔn)要求。摻ZY減水劑的混凝土3天強(qiáng)度最高，說明有早強(qiáng)作用，綜合效果優(yōu)于作為參照的脂肪族減水劑。

2.4 討論

脂肪族高效減水劑加入水泥混凝土中,能顯著的改善拌合物的流動(dòng)性，其減水作用機(jī)理如下：

1）靜電斥力作用。脂肪族羥基磺酸鹽高效減水劑為陰離子表面活性劑,含有磺酸基等強(qiáng)極性的陰離子基團(tuán)，它的分子主鏈以—C—C—鍵相連,分子主鏈上的羥基和羰基等吸附基團(tuán)，在水泥顆粒上的吸附，使分子定向排列，部分極性基團(tuán)指向液相。由于親水極性基團(tuán)的電解作用,使水泥顆粒表面帶有相同電荷，在靜電斥力的作用下，使水泥—水體系處于相對(duì)穩(wěn)定的懸浮狀態(tài),并通過拆散水化初期形成的絮凝結(jié)構(gòu)釋放出的游離水，提高水泥的流動(dòng)性。與其他幾種減水劑相比，含磺酸根的離子型聚合物靜電斥力最大。ξ電位的研究表明,脂肪族減水劑能顯著降低水泥顆粒的ξ電位（絕對(duì)值增大）,主要靠靜電斥力作用來達(dá)到減水分散效果的。

2）空間位阻作用。減水劑吸附在水泥顆粒的表面，形成一層有一定厚度的聚合物分子吸附層。當(dāng)水泥顆粒相互靠近時(shí)，吸附層相互重疊，在水泥顆粒間會(huì)產(chǎn)生斥力作用，重疊越多，斥力越大，稱之為立體空間位阻斥力。一般認(rèn)為所有離子型聚合物都會(huì)引起靜電斥力和立體位阻兩種作用。大小取決于用溶液中離子的濃度、聚合物的分子結(jié)構(gòu)和摩爾質(zhì)量。脂肪族高效減水劑為線性離子型聚合物，其立體位阻斥力較小。

3 結(jié)論

1）實(shí)驗(yàn)室合成ZY型SAF為含有羥基、羰基和磺酸基等親水基團(tuán)的高分子化合物。與市場(chǎng)上應(yīng)用的普通減水劑相比，具有減水率高，早期強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

2）ZY型SAF的減水分散作用機(jī)理是依靠羥基、羰基、磺酸基等功能基團(tuán)的作用，以靜電斥力為主，兼有水化膜潤(rùn)滑作用、潤(rùn)濕作用、絡(luò)合作用、立體位阻作用等相互疊加的結(jié)果，通過破壞絮凝結(jié)構(gòu)釋放出游離水，從而使水泥粒子分散。

[1]李崇智,李永德,馮乃謙.21世紀(jì)的高性能減水劑[J].混凝土.2005(5)：3-6.

[2]王子明,吳霖秀.脂肪族磺酸鹽高效減水劑的性能與應(yīng)用研究[J].建筑技 術(shù).2004(35)：45-46.

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