粘土与聚羧酸减水剂的相容性问题及解决措施

王文荣 胡家兵 邓 翀

中交武汉港湾工程设计研究院有限公司；中交二航武汉港湾新材料有限公司

1 引言

聚羧酸高性能减水剂具有分散性强、掺量低、性能多样化等诸多优点，在诸多大型建筑的施工中得到了广泛应用。目前我国优质的砂石资源日益枯竭，集料含泥问题突出，聚羧酸减水剂与集料含泥量高的相容性问题凸显，成为制约聚羧酸减水剂发展的重要影响因素。混凝土集料含泥量过高时，聚羧酸减水剂分散性能会大幅降低甚至完全失效，单纯依靠聚羧酸减水剂技术提升并不能完全解决混凝土工作性差及坍损快等问题［1］。

试验研究聚羧酸减水剂相与粘土矿物的容性问题，再通过合成一种粘土稳定剂，抑制粘土自身吸水膨胀以及对聚羧酸减水剂的吸附，可以在一定程度上解决混凝土集料含泥问题。

2 实验部分

2.1 实验原料

（1）粘土矿物：蒙脱土、伊利土、高岭土，均由上海紫一试剂厂提供。

（2）化学试剂：环氧氯丙烷（分析纯）、二甲胺（分析纯）、乙二胺（分析纯）、过硫酸钾（工业级）。

（3）P·O42.5 水泥，黄石华新；ISO 标准砂，厦门标准砂厂；CP-J聚羧酸高性能减水剂（自产）。

2.2 粘土稳定剂制备

在反应容器中加入一定量的环氧氯丙烷，在搅动状态下滴加二甲胺水溶液（滴加时间为1h，n（环氧氯丙烷）：n（二甲胺）=1.2：1），滴加完后加入乙二胺（加入量为环氧氯丙烷与二甲胺总质量的3%）、过硫酸钾（加入量为环氧氯丙烷与二甲胺总质量的3%），在65℃恒温下继续反应3h，得到粘土稳定剂。

3 结果与讨论

3.1 粘土矿物与聚羧酸减水剂相容性分析

砂石集料中的粘土矿物种类很多，最常见、含量最多的矿物主要为蒙脱土、伊利土和高岭土，均为层状结构。蒙脱土的晶层间距在1mm～4nm 之间，层间联接力较弱；伊利土的晶层间距为1nm左右，层间联接力强；高岭土的晶层间距为0.7nm左右，晶层之间靠氢键联接，在三种粘土矿物中高岭土的层间联接力最强。粘土矿物的不同结构和化学组成决定了它们对聚羧酸减水剂的影响存在一定的差异。本次试验采用蒙脱土、高岭土、伊利土按照一定比例（1%，3%，5%）取代水泥，来研究粘土矿物种类及掺量对流动性的影响，CP-J聚羧酸减水剂的用量为水泥的0.5%。

表1 粘土种类及掺量对水泥净浆流动性影响

从表1可以看出，蒙脱土、高岭土、伊利土的加入，都会降低水泥净浆的流动度，随着粘土矿物掺量的提高，水泥净浆流动度逐渐降低，其中影响最为显著的是蒙脱土，蒙脱土的掺量增加到1%时，水泥净浆流动度降为235mm，当蒙脱土掺量增加至5%时，水泥净浆流动度降为150mm，浆体失去流动性。从粘土矿物的晶体结构可知，蒙脱土吸水性较强，高岭土与伊利土的晶层间距小，层间结合力强，这就造成了高岭土与伊利土对聚羧酸减水剂的层间吸附较少，三种粘土矿物中，对聚羧酸减水剂的分散能力影响最大的为蒙脱土。

试验结果分析表明，粘土对水泥净浆的流动性影响主要有两方面，其一，粘土矿物自身具有一定的吸水性，如蒙脱土具有很强的吸水性，使拌合物稠度增加。其二，粘土矿物有很强的吸附性，蒙脱土吸附减水剂的能力是水泥的数十倍，粘土颗粒会与水泥颗粒竞争吸附大量的聚羧酸减水剂，从而降低聚羧酸减水剂的有效含量，从而影响流动性。

3.2 粘土稳定剂对含粘土砂浆工作性能影响研究

在含粘土矿物和聚羧酸减水剂的胶砂中，粘土矿物选用蒙脱土，按照砂质量的百分比掺入（0%～3%），粘土稳定剂按照水泥质量的质量千分比掺入（0‰～4‰），通过调整蒙脱土与粘土稳定剂的掺量，研究粘土稳定剂对含粘土胶砂流动性的影响，见表2。

表2 粘土稳定剂对含粘土胶砂流动性能的影响

从表2 可以看出，当蒙脱土含量增加至3%时，胶砂几乎丧失流动性。粘土稳定剂的加入可明显改善胶砂流动性，在蒙脱土掺量2%时，加入3‰的粘土稳定剂，胶砂流动性基本可恢复未加入粘土时的流动性。当粘土稳定剂加入到胶砂体系之后，粘土的颗粒表面会吸附大量粘土稳定剂电离出的阳离子，形成一层阳离子聚合物分子层，使粘土处于稳定状态，抑制粘土的水化及吸水后的膨胀。阳离子型粘土稳定剂对砂浆流动性的改善作用主要有两点，其一抑制了粘土矿物自身吸水膨胀，增加体系中的自由水；其二，粘土稳定剂优先吸附在蒙脱土颗粒表面，降低了对聚羧酸减少剂的吸附。当粘土矿物自身不膨胀时，会减少自身的比表面积，同时也会降低对聚羧酸减水剂的吸附。

3.3 粘土稳定剂对含泥混凝土工作性能的影响

通过设计C30 混凝土，分析粘土稳定剂对含有粘土混凝土工作性的影响，混凝土配合比：水泥360kg/m3（华新水泥PO·42.5），砂792kg/m3，小石290kg/m3（5mm～10mm），大石678kg/m3（10mm～20mm），水灰比为0.44，CP-J聚羧酸减水剂掺量为1.2%。

砂石先经水洗去除粘土等杂质并烘干，然后用蒙脱土替代砂调整含泥量，粘土稳定剂掺量按照聚羧酸减水剂质量的百分比。粘土稳定剂对掺有粘土的混凝土工作性、保坍性的影响见表3。

表3 粘土稳定剂对混凝土分散性能的影响

蒙脱土掺入后，会严重影响混凝土的初始工作性能及坍落度保持能力，当蒙脱土掺量增加至3%时，混凝土的初始坍落度由220mm 骤减为160mm，初始扩展度由550mm 降为450mm，混凝土1h后无流动性。随着粘土稳定剂的加入，显著地改善了混凝土的初始工作性能及保坍性能。粘土稳定剂起到稳定粘土矿物的作用，减少了粘土矿物的吸水量，限制了粘土矿物的膨胀，水泥浆体中自由水增多，混凝土坍落度保持能力变强。在蒙脱土含量增加到3%～4%时，粘土稳定剂掺量在5%时，粘土稳定剂可以解决粘土带给混凝土流动性及损失问题。但当混凝土集料中粘土含量过高时，会严重影响混凝土的工作性能，混凝土体系中的自由水及减水剂有效含量会大幅降低，即使提高粘土稳定剂的掺量时并不能完全改善混凝土工作性及损失问题。

3.4 粘土稳定剂的作用机理探讨

蒙脱土对PCE（聚羧酸减水剂）的表面吸附及对PCE长侧链的吸附是导致聚羧酸减水剂失效的主要原因［3］。蒙脱土是一种层状硅酸盐矿物，其与水分子及其它离子接触后，晶层间距会发生巨大变化，造成体积膨胀。粘土稳定剂吸附在粘土颗粒表面及层间起到封闭作用，能对后续将进入层间的其他离子和聚合物产生位阻效应。粘土稳定剂呈短直链线型结构，更容易吸附在粘土颗粒面层及进入粘土的层间结构，减少了聚羧酸减水剂分子结构中长侧链和水分子的进入，使体系中的游离水及聚羧酸减水剂的有效含量增加，进而改善混凝土工作性能。

4 结束语

粘土稳定剂可以抑制粘土自身吸水膨胀，并且优先吸附在粘土矿物表面及层间，减少粘土颗粒对聚羧酸减水剂的消耗，可以在一定程度上解决聚羧酸减水剂与集料含泥相容性问题。