抑制蒙脱土对聚羧酸减水剂负效应的添加剂研究

王宝松，泽旺四郎，王林龙

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067； 2.西藏自治区昌都市交通运输局， 西藏 昌都　854000)



抑制蒙脱土对聚羧酸减水剂负效应的添加剂研究

王宝松1，泽旺四郎2，王林龙1

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067； 2.西藏自治区昌都市交通运输局， 西藏 昌都854000)

摘要：针对蒙脱土对聚羧酸减水剂的负效应，选取聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾作为添加剂并将其与聚羧酸减水剂进行复配使用，并通过试验来研究添加剂对含钠基蒙脱土和含钙基蒙脱土的砂浆工作性能和强度的影响。在此基础上确定添加剂的最优配合比，表明其对聚羧酸减水剂的负效应具有非常明显的抑制效果。

关键词：聚羧酸减水剂；蒙脱土；添加剂

在现代混凝土技术中，除使用大量集料外，通常还要使用外加剂来提高混凝土的性能，集料所含泥土会降低聚羧酸减水剂的减水分散性能，其中粘土成分是泥土中对聚羧酸减水剂的负效应最显著的组分[1-5]。粘土吸附聚羧酸减水剂使对水泥起分散作用的有效聚羧酸减水剂减少，同时也吸附拌和水并使提供浆体流动的自由水减少，其组合作用的结果是影响掺聚羧酸减水剂水泥净浆、砂浆和混凝土工作性能的主要原因[6-8]。不同种类的粘土对聚羧酸减水剂的影响程度不同，吸附能力和膨胀能力强的蒙脱土较伊利土和高岭土对聚羧酸减水剂的负效应更大[9]。

目前针对粘土对聚羧酸减水剂负效应抑制措施的研究还处于起步阶段，还没有一种普遍适用的解决办法。本文基于利用吸附能力强的添加剂优先被粘土吸附从而减少粘土对聚羧酸减水剂的吸附和减少拌和水和聚羧酸减水剂的吸附以防止粘土膨胀的思路，选取了聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾作为添加剂并将其与聚羧酸减水剂进行复配使用，通过试验来研究添加剂对含钠基蒙脱土和含钙基蒙脱土水泥砂浆工作性能和强度的影响，并在此基础上分析添加剂最优复配比例对含蒙脱土混凝土性能的影响，以期为解决粘土对聚羧酸减水剂的负效应提供借鉴。

1原材料

P·O 42.5R普通硅酸盐水泥:比表面积为401 m2/kg，3 d和28 d胶砂抗压强度分别为28.5、51.5 MPa。

聚羧酸减水剂：固含量为39.8%。

砂石：水洗的洁净砂石，试验时根据所需蒙脱土掺量在砂中外掺蒙脱土

蒙脱土：河北生产的工业级钠基蒙脱土和钙基蒙脱土。

聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾：分析纯试剂。

2试验过程

试验砂浆配合比为水泥∶砂=1∶3，水灰比为0.44，聚羧酸减水剂掺量为水泥质量的0.18%，蒙脱土以0.5%的比例等质量取代砂，添加剂掺量按水泥质量的百分比计。

2.1添加剂对砂浆工作性能的影响

砂浆流动度是衡量砂浆工作性能的主要技术指标，试验以聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾3种不同添加剂掺量进行砂浆流动度及试验，分析对掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土和含钙基蒙脱土砂浆流动度的影响，试验结果如图1所示。

图1　添加剂掺量对掺聚羧酸减水剂含蒙脱土砂浆流动度的影响

从图1可以看出，聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾3种添加剂能够抑制钠基蒙脱土和钙基蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆流动度的负效应，其对钙基蒙脱土的抑制效果好于对钠基蒙脱土的抑制效果。无论是对于含钠基蒙脱土还是含钙基蒙脱土的砂浆，随着添加剂掺量增加，砂浆流动度随添加剂掺量增加而增大。

当聚乙二醇-4 000掺量为0.2%时，掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆流动度由未掺聚乙二醇-4 000时的120 mm提高到155 mm，掺聚羧酸减水剂含钙基蒙脱土砂浆流动度由未掺聚乙二醇-4 000时的120 mm提高到157.5 mm。但随着聚乙二醇-4 000掺量继续增大，砂浆流动度几乎不再提高。三甲基十六烷基溴化铵的最佳掺量为0.08%，此时掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆流动度由未掺三甲基十六烷基溴化铵时的120 mm提高到162.5 mm，掺聚羧酸减水剂含钙基蒙脱土砂浆流动度由未掺三甲基十六烷基溴化铵时的120 mm提高到165 mm。之后随着三甲基十六烷基溴化铵掺量继续增大，砂浆流动度不再提高。当氯化钾掺量为1%时抑制效果最好，此时掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆流动度由未掺氯化钾时的120 mm提高到135 mm，掺聚羧酸减水剂含钙基蒙脱土砂浆流动度由未掺氯化钾时的120 mm提高到140 mm。对比图1(a)、(b)、(c)可以看出，氯化钾抑制蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆流动度负效应的效果较聚乙二醇-4 000和三甲基十六烷基溴化铵差。

2.2添加剂对砂浆强度的影响

聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾3种添加剂对掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土和钙基蒙脱土砂浆28 d抗压强度影响的试验结果如图2所示。

图2　添加剂对掺聚羧酸减水剂含蒙脱土砂浆28 d抗压强度的影响

从图2可以看出，无论是含钠基蒙脱土的砂浆还是含钙基蒙脱土的砂浆，聚乙二醇-4 000和氯化钾的掺入对砂浆28 d龄期抗压强度都无明显不利影响，原因可能是聚乙二醇-4 000不参与水泥反应，不影响水泥水化进程和水化产物，而氯化钾作为早强剂甚至会提高砂浆早期强度且对后期强度无明显影响。

添加三甲基十六烷基溴化铵会降低砂浆28 d龄期的抗压强度，且三甲基十六烷基溴化铵掺量越大，砂浆强度下降就越多。以三甲基十六烷基溴化铵对掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆强度影响为例，未掺三甲基十六烷基溴化铵时砂浆28 d龄期抗压强度为37 MPa；当三甲基十六烷基溴化铵掺量仅为0.04%时砂浆28 d抗压强度降到24 MPa，降低了35%；当三甲基十六烷基溴化铵掺量增大到0.12%时砂浆28 d抗压强度降到17 MPa，降低了54%。三甲基十六烷基溴化铵以严重降低砂浆抗压强度的原因主要与其在搅拌过程中产生大量气泡，使得砂浆含气量急剧上升，硬化后砂浆中残留大量气孔有关。

2.3添加剂复配对砂浆性能的影响

聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾单掺在合适掺量范围内一定程度上可抑制蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆工作性能的负效应，但抑制效果有限。另外三甲基十六烷基溴化铵会严重降低砂浆强度，而复配是外加剂领域常用的技术手段，通常能起到“超叠加效应”。为此，笔者通过正交试验来研究3种添加剂复配对掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆性能的影响，试验结果如表1所示。

表1　添加剂复配对掺聚羧酸减水剂含钠基蒙脱土砂浆性能的影响

从表1数据可以看出，添加剂复配起到了抑制钠基蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆流动度负效应的作用，且比添加剂单掺时的抑制效果更好，试验组3、4、7、8、10、11的流动度结果接近甚至超过了未加粘土时的流动度。因此，仅从砂浆流动度的角度看，通过3种添加剂的复配完全能够解决钠基蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆工作性能的负效应；但从强度试验结果看，三甲基十六烷基溴化铵的存在仍会大幅度降低砂浆强度。

综合添加剂对砂浆流动度和强度影响的结果分析，发现试验组13的添加剂配比最优，即在聚乙二醇-4 000掺量为0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配时，掺聚羧酸减水剂含0.5%钠基蒙脱土砂浆流动度由未掺添加剂时的120 mm提高到195 mm，同时添加剂的掺入对砂浆抗折抗压强度不造成负面影响，甚至使强度略微增长。

2.4添加剂对混凝土性能的影响

选取抑制钠基蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆流动度负效应的效果显著而对砂浆强度不造成负面影响的添加剂(聚乙二醇-4 000掺量为0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配)进行了混凝土试验，混凝土基准配合比如表2所示。

根据混凝土基准配合比，蒙脱土掺量为等质量内掺取代砂，添加剂掺量按胶凝材料质量百分比外掺，添加剂先于聚羧酸减水剂掺入，对添加剂(聚乙二醇-4 000掺量为0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配)掺入聚羧酸减水剂含0.5%钠基蒙脱土和0.5%钙基蒙脱土的混凝土工作性能和强度进行了试验，结果如表3所示。

表2　混凝土配合比

表3　添加剂对掺聚羧酸减水剂含不同粘土混凝土性能的影响

从表3数据可以看出，添加剂(聚乙二醇-4 000掺量为0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配)抑制蒙脱土对掺聚羧酸减水剂混凝土工作性负效应的效果较好。掺添加剂后，含0.5%钠基蒙脱土混凝土坍落度由80 mm提高到180 mm，流动度由185 mm提高到365 mm；含0.5%钙基蒙脱土混凝土坍落度由100 mm提高到195 mm，流动度由195 mm提高到410 mm，且添加剂的掺入不会降低混凝土强度。因此，可以将添加剂(聚乙二醇-4 000掺量为 0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配)与聚羧酸减水剂一起使用以抑制蒙脱土对混凝土强度和工作性的负效应。

3结论

由于集料所含泥土会降低聚羧酸减水剂的减水分散性能，因此针对粘土对聚羧酸减水剂负效应抑制措施的研究，本文以聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾作为添加剂并将其与聚羧酸减水剂进行复配使用，经过多项室内试验，确定了复配添加剂的最优配合比，其试验结果显示，复配添加剂能够很好地抑制蒙脱土的负效应，为解决粘土对聚羧酸减水剂造成的负效应提供了很好的技术途径。总结试验研究成果，得出如下结论。

1) 聚乙二醇-4 000、三甲基十六烷基溴化铵和氯化钾3种添加剂均能够抑制钠基蒙脱土和钙基蒙脱土对掺聚羧酸减水剂砂浆流动度的负效应，其对钙基蒙脱土的抑制效果好于对钠基蒙脱土的抑制效果，且随着添加剂掺量增加，砂浆流动度也随之增大。

2) 无论是含钠基蒙脱土的砂浆还是含钙基蒙脱土的砂浆，聚乙二醇-4 000和氯化钾的掺入对砂浆28 d龄期抗压强度无明显不利影响，而氯化钾作为早强剂甚至会提高砂浆早期强度且对后期强度无较大影响。

3) 综合添加剂对砂浆流动度和强度影响的结果分析，在聚乙二醇-4 000掺量为0.3%和氯化钾掺量为1.5%复配时效果最优，具有非常明显的抑制作用。同时添加剂的掺入对砂浆抗折抗压强度不会造成负面影响，甚至强度还略有增长。

参 考 文 献

[1]王应，王智，胡倩文，等.集料中黏土质泥及其对混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报，2012，34(3)：599-60.

[2]SAKAI E，ATARASHI D，DAIMON M. Interaction between superplasticizers and clay minerals [C]// Proceedings of the 6th International Symposium on Cement and Concrete and Canmet/Aci International Symposium on Concrete Technology for Sustainable Development (Volume 2). Xi’an：Cement Branch of Chinese Ceramic Society，2006.

[3]NORVELL J K，STEWART J G，MARIA C. et al. Influence of Clays and Clay-Sized Particles on Concrete Performance[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2007，19(12)： 1053-1059.

[4]MUOZ J F，GULLERUD K J. Effects of Coarse Aggregate Coatings on Concrete Performance[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22(1)：97-103.

[5]赵爽，沙建芳，陆加越，等.粘土对聚羧酸减水剂塑化性能的影响[J].混凝土，2013(11)： 116-118.

[6]王林，王栋民，包文忠.粘土对聚羧酸减水剂性能的影响及机理研究[J].武汉理工大学学报， 2013，35(8)：6-9.

[7]马保国，杨虎，谭洪波，等.水泥和粘土对不同减水剂的吸附特性[J].硅酸盐学报，2013， 41(3)：329-333.

[8]王智，胡倩文，王应，等.蒙脱石对聚羧酸减水剂的层间吸附特性[J].硅酸盐学报，2013， 41(8): 1100-1104.

[9]王智，胡倩文，王林龙，等.不同黏土对掺减水剂水泥净浆流动度影响[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2013，29(5)：803-807.

Research on Additives to Restrain Negative Effects on Montmorillonite on Polycarboxylate Superplasticizer

WANG Baosong1, ZEWANG Silang2, WANG Linlong1

Abstract:In allusion to the negative effects of montmorillonite on polycarboxylate superplasticizer, this paper selects polyethylene glycol-4000, cetyl-trimethyl ammonium bromide and KCL as additives and uses them with polycarboxylate superplasticizer as compound, and studies the influences of additives on working performance and strength of mortar of sodium montmorillonite and calcium montmorillonite via test. On this basis the paper determines the optimum ratio of additives, which exhibit very obvious effect to restrain the negative effects on polycarboxylate superplasticizer.

Keywords:polycarboxylate superplasticizer; montmorillonite; additive

文章编号：1009-6477(2016)02-0020-05

中图分类号：U444

文献标识码：A

作者简介：王宝松(1984-)，男，山东省临沂市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-10-20

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.005