不同粘土对聚羧酸减水剂的吸附影响

邱茂生，周汉章

（1. 广州临海混凝土有限公司，广东 广州 511466；2. 长沙益友建筑科技有限公司，湖南 长沙 523820）

0 前言

随着我国工民建的进一步发展，优质的天然砂石数量锐减，加上环保部门对河流的保护加大了对砂石清洗的严控，泥不可避免的存在于砂石骨料中而且含量越来越高。骨料是混凝土原材料的重要组成部分，约占水泥混凝土体积质量比例的 70% 左右，骨料品质的优劣直接影响着混凝土的性能及质量安全，泥会严重抑制聚羧酸减水剂的分散性尤其对混凝土工作性能、力学性能以及耐久性等有较大程度的影响。

1 粘土对聚羧酸减水剂吸附机理

泥又称为粘土，粘土对聚羧酸减水剂的吸附机理比较复杂，主要与粘土的层状结构和大的比表面积导致其具有很强的吸附性有关。由于粘土吸附大量自由水，使得混凝土用水量不足无流动性，另外最主要的原因是粘土的层间结构会使其吸附大量聚羧酸减水剂，使得具有减水分散性能的有效减水剂含量大大减少[1]。众多学者对聚羧酸减水剂在粘土上的吸附机理进行了详细探索，研究认为聚羧酸系减水剂在粘土上的吸附表现为物理吸附和化学吸附[2]。微观作用机理是粘土与聚羧酸系减水剂分子的主要作用方式是阴离子静电吸附，粘土的片层间距不足以容纳像 PC 分子一样的大分子。吸附于粘土表面的PC 分子将其 PEO 侧链伸入到粘土片层中间，不仅引起粘土的片层间距扩大，粘土的吸水能力增强，而且导致其无法发挥空间位阻效应[3]。从聚羧酸减水剂分子结构考虑，发现不同类型含有梳型侧链结构的聚羧酸减水剂对泥都非常敏感，这是由于泥粉中的勃土质矿物层间结构与聚羧酸减水剂的梳型侧链结构连接比较匹配，聚羧酸减水剂大部分是以化学吸附的方式插层于勃土质矿物中，而不是以电荷吸附的方式吸附于勃土矿物质的表面。[4]

2 粘土的类型及结构特点

《硅酸盐辞典》中对粘土的描述是：粘土是自然界中硅酸盐岩石经过长期风化作用而形成的一种土状矿物。粘土不是单一矿物，而是多种含水铝硅酸盐矿物的混合体[5]。泥中的粘土矿物种类很多，但主要以蒙脱石类、高岭石类和伊利石类为主。其主要化学组成是 SiO2、Al2O3和结晶水，但也因地质条件不同还会含有 Na2O、K2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2等，粘土的矿物分类见表 1。

粘土的结构类型有三种：（1）蒙脱土，化学结构式为 (Al2Mg3)(Si4O10)(OH)2·nH2O，两层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片形成单元晶层，单元晶层上下表面都是氧原子，可吸附等电量的阳离子或水化阳离子。层间以分子间作用力连接。（2）高岭土，化学结构式为 2Al2O3·4SiO2·4H2O，由一片铝氧八面体晶片和一片硅氧四面体晶片构成单元晶层。层间以氢键粘结，连结紧密。（3）伊利土，化学结构式为(K,Na,Caz)m(Al,Fe,Mg)4(Si,Al)8O20(OH)4·nH2O，两层硅氧四面体晶片与一层铝氧八面体晶片构成单元晶层。层间以钾离子粘结，连接紧密。

粘土的化学组成及含量见表 2。

表1 粘土的矿物分类

表2 粘土的化学组成及含量

3 粘土对聚羧酸外加剂的吸附试验

3.1 试验主要材料

（1）蒙脱土，阿拉丁试剂厂生产，为天然钙基蒙脱土，比表面积为 15～35m2/g。

（2）伊利土，广州嘉亮矿业有限公司生产，比表面积为 8.2m2/g。

（3）高岭土，广州嘉亮矿业有限公司生产，比表面积为 6.0～10.0m2/g。

（4）水泥，台泥 P·O42.5R 水泥。

（5）标准砂，厦门标准砂厂产 ISO 标准砂。

（6）河砂，东江Ⅱ区中砂，细度模数 2.6，含泥量为 0（洗水处理）。

（7）石，惠州石厂，5～25mm 连续级配，压碎指标 11%，含泥量为 0（洗水处理）。

（8）粉煤灰，沙角电厂Ⅱ级煤灰，细度 19%。

（9）矿渣粉，日照 S95 矿粉，28 天活性大于95%。

（10）水，自来水，符合饮用水标准。

（11）外加剂，东莞洛美建材 LM-S2 聚羧酸减水剂，减水率大于 25%，含固量 20%。

3.2 水泥净浆流动度试验

按 GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》测定，为了便于和不含粘土的水泥净浆进行比较，固定水胶比为 W/C=0.29，即水 87g、水泥300g，采用将聚羧酸减水剂（折固后掺 1.5% 掺量）0.9g 和 300g 水泥加入到水泥净浆搅拌机后，各种粘土按照水泥质量的百分比以外掺的方式加入，分别测量初始流动度和 30 分钟、60 分钟的净浆流动度，详细内容见表 3。

从表 3 中可以看出三种不同类型粘土在不同的掺量下对水泥的净浆流动度影响很大，三种粘土的共同之处在于随着粘土掺量的增加水泥净浆流动度逐渐减小，随着伊利土掺量的增加初始流动度差别不大，30 分钟、60 分钟、90 分钟净浆流动度损失不明显。高岭土在掺量 1% 时初始流动度与基准无差异，30 分钟、60 分钟、90 分钟后净浆流动度逐渐减小，掺量 4%、5% 时初始流动度一般，60 分钟、90 分钟后净浆坍损大。蒙脱土对外加剂的吸附最大，当掺量为 1% 时初始流动度比伊利土、高岭土小而且 90分钟后净浆流动度损失明显，当掺量为 2% 时初始流动度与掺量 1% 初始流动度相比差异非常大，而且60 分钟后已经无流动度，随着掺量增加到 4%、5%后 30 分钟后已经没有净浆流动度，蒙脱土对水泥净浆流动度负作用最大。

表3 水泥净浆流动度试验结果

3.3 不同粘土不同含泥量对聚羧酸减水剂混凝土工作性能的影响

选取普通泵送混凝土 C30 强度等级配合比为：水泥 190kg/m3，粉煤灰 80kg/m3，矿粉 60kg/m3，砂790kg/m3，石子 1085kg/m3，水 155kg/m3，外加剂6.6kg/m3。砂子和石子经过水洗晒干含泥量为 0，不同粘土按石子用量百分比作含泥量增量添加试验数据，见表 4。

从表 4 可以看出，C30 基准配方在砂石无含泥的情况下外加剂掺量为 1.8%，混凝土出机状态好，初始坍落度/扩展度为 220mm/580mm，60 分钟后几乎无坍损。按不同掺量掺入伊利土后，当粘土含量为1% 和 2% 时出机状态良好，粘稠度一般；当粘土含量为 3% 和 4% 时混凝土出机状态一般，60 分钟后有一定坍损；当掺到 5% 时料出机很粘稠，初始扩展度小，坍损大。当掺高岭土为 1%～2% 时，混凝土初始状态良好，60 分钟后坍落度和扩展度与初始相当；当粘土掺到 4% 时混凝土开始变得特别粘稠；掺到 5% 时混凝土初始状态打不开。在三种粘土中蒙脱土吸附减水剂能力最强，当粘土掺量为 1% 时初始坍落度/扩展度为 200mm/500mm，比伊利土和高岭土初始状态小，60 分钟后坍损大；当掺到 2% 时混凝土出机明显变粘稠，60 分钟后坍损非常明显；当掺量为 3% 时混凝土出机特别粘稠，无工作性能；掺量3% 以上混凝土状态打不开。

表4 混凝土工作性能试验结果

3.4 粘土对掺聚羧酸减水剂混凝土工作性能影响分析

骨料中不同类型的粘土，不同的粘土含泥量对掺聚羧酸减水剂的混凝土有很大的负面影响，主要原因是粘土对减水剂的吸附量与吸附速率远大于水泥对减水剂的吸附，从而使得和水泥颗粒作用的减水剂大量减少，影响聚羧酸在混凝土中的分散性能。三种粘土中蒙脱土对聚羧酸外加剂吸附性最强，有相关试验证明蒙脱土对含有聚氧乙烯侧链的聚羧酸最大吸附量是 400mg/g，大约是普通硅酸盐水泥的100 倍，因为普通聚羧酸减水剂的长侧链容易进入到粘土土层间结构中，侧链中的醚键与蒙脱土层间的官能团形成氢键，使侧链锚固在其中导致水泥吸附聚羧酸减水剂的量减少[6]，产生的空间位阻效应也会受到很大的影响，水泥颗粒的分散会受到影响，从而影响浆体的分散性能。

4 总结

粘土的结构复杂、种类繁多、性质各异，在自然界中广泛存在。粘土对混凝土性能的影响与其粘土种类和含量密切相关[5]，但无论是何种粘土对混凝土的工作性是不利的，随着骨料中粘土含量的升高，新拌混凝土的流动性下降，当含泥量超出某一范围时影响显著，前期表现为影响施工无工作性能，在骨料的选择上应特别注意不同粘土的性能及含量对混凝土的影响，从而避免工程质量事故。