粉煤灰、矿渣对聚羧酸减水剂吸附分散性能的影响

摘要：

研究了聚羧酸减水剂在水泥、矿渣及粉煤灰上的吸附行为。分析了聚羧酸减水剂在不同胶凝材料上的吸附量差异及其对各浆体的屈服应力及塑性黏度的影响。试验结果表明，矿渣的吸附量最小，粉煤灰的吸附量在聚羧酸减水剂低掺量条件下相对较高，水泥对聚羧酸减水剂的饱和吸附量最大。流变结果表明，未掺聚羧酸减水剂时，矿渣、粉煤灰的掺入并没有改善浆体流变性能；矿渣、粉煤灰掺入可以改善水泥-聚羧酸减水剂体系的流变性能；矿渣浆体性质在聚羧酸减水剂作用下变化最大。

0前言

目前，关于减水剂与水泥的相容性问题，国内外学者已有大量研究。研究内容大部分是从碱硫酸盐、C3A含量、钙矾石形成等方面讨论水泥组分对减水剂的作用影响问题。水泥、矿物掺合料对聚羧酸减水剂竞争吸附通常会影响减水剂的作用，而现今对这方面的研究较少。因此，本试验从吸附分散的角度出发，研究分析了粉煤灰、矿渣对水泥-聚羧酸减水剂体系流变性能的影响，探讨了几者之间的作用机制。

1试验

1.1原材料

采用粤秀P.II42.5R水泥，水泥的化学组成见表1，其比表面积为360㎡/kg。粉煤灰为珠江电厂的I级灰，比表面积为410㎡/kg。矿渣为韶钢集团生产的磨细矿渣，比表面积为420㎡/kg。聚羧酸减水剂为3301M，分子量为22045，数均分子量为10670。

表1 原材料的化学组成 %

1.2试验方法

1.2.1流动度测试

称取300g水泥及含有不同浓度减水剂的水溶液87g，倒入搅拌锅内，采用水泥净浆搅拌机搅拌3min；将拌好的净浆迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平；将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，任水泥净浆在玻璃板上流动至30s，用直尺量取流淌部分相互垂直的两个大方向的最大直径，取平均值作为水泥净浆流动度。恒温20℃保存1h后，用同样方法测定流动性损失。

1.2.2吸附量测定

以水胶比2准备胶凝材料浆体；在20℃下磁力搅拌5min后，使浆体在离心机中以4200r/min下离心10min。然后将离心液体通过0.45μm的尼龙微孔滤膜抽滤，取一定量滤液稀释10~20倍。采用德国Elementar公司的LiquiTOC测定残余碳含量，计算出聚羧酸减水剂残余量，通过计算吸附前后浓度之差得到吸附量值。试验中的胶材粉体包括水泥、掺30%矿渣的水泥、掺30%粉煤灰的水泥、纯矿渣、纯粉煤灰。其中，考虑到液相环境对聚羧酸减水剂吸附分散影响较大，纯矿渣、纯粉煤灰浆体的吸附流变测试均在模拟水泥初始孔溶液中进行。模拟液相各离子浓度如表2所示。水泥、水泥-矿物掺合料混合物使用纯水作为液相。试验中聚羧酸减水剂掺量均为固掺量。

表2 模拟孔溶液离子组成及pH值

1.2.3流变性能测定

采用Brookfield公司的R/S-SST软固体测试流变仪，转子为筒式CC-14测试新拌浆体的流变行为。试验温度为20℃。将水胶比为0.35的浆体倒入测量模具中，设置流变仪剪切速率在1min内升至300r/s，然后2min从300r/s内降至0r/s。采用300r/s至0r/s的数据点进行流变模型的拟合。

2结果与讨论

2.1分散性

掺30%的粉煤灰与矿渣的水泥浆体在减水剂作用下流动度变化见表3。结果表明，这两种辅助性胶凝材料的加入使得减水剂的饱和掺量点提前。未掺辅助性胶凝材料的水泥浆体的饱和掺量点在0.35%，而掺入30%粉煤灰的饱和掺量点为0.30%，掺入30%矿渣的饱和掺量点提前至0.25%。从表3中也可以看到，1h后各扩展度有所增加，而掺入矿物掺合料的扩展度增加值较大。在掺入这些辅助性胶凝材料后，减水剂在较低的情况下就可以使水泥-辅助性胶凝材料体系达到较高的流动性，但当减水剂掺量相对较高时，水泥-辅助性胶凝材料浆体流动度达到290mm以后部分会出孔浆体中颗粒粘接玻璃板上不便刮取的情况，这种抓底现象表明减水剂过掺。其中，掺入矿渣的水泥浆体泌水最为严重。一般情况下，饱和点的降低可以认为是掺合料对水泥与减水剂相容性的改善作用，但也容易出现离析泌水，尤其是矿渣的掺入会对浆体整体性质带来较大的改变。

表3 水泥-矿物掺合料体系的分散性及保持能力 mm

2.2吸附性能

聚羧酸减水剂在不同胶凝材料上的吸附量见图1。随着聚羧酸减水剂掺量的增加，各胶材对聚羧酸减水剂的吸附量也达到饱和，其中以水泥浆体的吸附量最高，水泥-矿渣与水泥-粉煤灰浆体的吸附量较为接近，纯浆体的饱和吸附量依次为水泥>粉煤灰>矿渣。在低浓度聚羧酸减水剂掺量下，粉煤灰浆体以及水泥-粉煤灰浆体对聚羧酸减水剂的吸附量较高。由于水泥颗粒表面活性点较多，其C3A、C4AF及产物钙矾石也会吸附相对较多的聚羧酸减水剂，因而其饱和吸附量最高。粉煤灰与矿渣属惰性颗粒，它们的掺入稀释了水泥颗粒的活性点，使浆体对聚羧酸减水剂的饱和吸附量产生了不同程度的降低。在低浓度条件下，由于粉煤灰颗粒表面为富SiO2和富SiO2-Al2O3的致密结构，并具有一定的含碳量，而多孔碳颗粒对聚羧酸的吸附作用较强，因此在低减水剂浓度下纯粉煤灰浆体以及掺入30%粉煤灰的浆体表现出相对较大的吸附量。粉煤灰除碳外其他活性点较少，因此在达到饱和掺量点后，其吸附量与水泥相比较低。矿渣作为淬冷后的玻璃体结构，其对聚羧酸减水剂的吸附量最小。

图1 不同浆体对聚羧酸减水剂的吸附量

2.3流变性能

各浆体未掺聚羧酸减水剂时流变特性如图2所示。各浆体表现出明显的Bingham流体特征，对其各点进行Bingham拟合见表4。在未掺聚羧酸减水剂的条件下，纯矿渣浆体屈服值较高，颗粒团聚严重，部分未润湿未能做流变试验。从图2与表4可见，在无减水剂条件下，掺入了矿渣、粉煤灰的浆体屈服值与黏度相对水泥浆体较高。纯粉煤灰浆体的屈服应力与黏度值分别为80.453Pa与0.5885Pa.s，均高于水泥浆体的67.346Pa与0.4637Pa.s。这是由于试验所用粉煤灰和矿渣的比表面积相对水泥较高，提高了整体的需水量，在与水拌合过程中发生一定团聚形成絮凝结构，自由水较少，颗粒并未能起到填充效应。

图2 各浆体未掺聚羧酸减水剂时流变曲线

表4 不同聚羧酸减水剂掺量下各浆体的流变曲线模拟

在掺入0.05%的聚羧酸减水剂后，各浆体性质变化较大，其中反差最为明显的为纯矿渣浆体，见图3。掺入聚羧酸减水剂后，纯矿渣浆体产生泌水沉降。在低转速下，流变仪转子感应不到浆体的屈服值，到达一定转速后，随着转速的升高，剪切力才开始不断增大，表现出牛顿流体的性质，对其舍去无剪切力数据点并直线拟合，仅取其斜率即黏度。掺入矿物掺合料后水泥浆体的屈服值和黏度均有一定所下降，其中掺入了矿渣的浆体和水泥相比屈服值较低，黏度稍高。屈服值低表现出更大的流动度，这也与表3中结果相印证，而黏度的升高也与其保水作用有关。掺入了粉煤灰的浆体与纯粉煤灰浆体的屈服值和黏度迅速下降。这是由于减水剂的掺入释放了部分自由水，使浆体的絮凝结构得到改善，粉煤灰由于其微珠效应浆体结构改善较大，而矿渣由于其较高的比表面积以及多角形态，所以黏度较高。聚羧酸减水剂的掺量达到0.10%时，掺入了30%矿渣的浆体屈服值和黏度迅速降低，而纯粉煤灰浆体也略微表现出沉降的现象，见图4。对比图1可以发现，由于矿渣的吸附量相对较低，在此聚羧酸掺量下，部分聚羧酸减水剂富余出来，相当于过掺了一部分减水剂，使得浆体的结构发生变化，表现为屈服值与黏度的迅速降低。纯矿物掺合料在减水剂的作用下，分散效果变化较大，矿渣表现的较为明显。结合吸附量数据表明，极少的聚羧酸减水剂既可改变矿渣颗粒与水之间的界面性状，又给整个浆体性质带来较大的变化。

图3 各浆体掺0.05%聚羧酸减水剂时流变曲线

图4 各浆体掺0.10%聚羧酸减水剂时流变曲线

3结论

(1)水泥、粉煤灰、矿渣对聚羧酸减水剂的饱和吸附量大小依次为：水泥>粉煤灰>矿渣。粉煤灰由于其碳作用，在低减水剂掺量时吸附量较大。

(2)粉煤灰、矿渣的减水作用在掺入聚羧酸减水剂的条件下才体现出来。I级粉煤灰与聚羧酸减水剂有较好的相容性，而矿渣对聚羧酸减水剂的掺量较为敏感。

作者：季亚军，高岗，孙寅斌