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粘土与聚羧酸超塑化剂的相互作用

  砂石中含泥对聚羧酸超塑化剂会有不同程度的负面影响。不同地区的砂石中含泥成分并不相同,有时含泥量仅为 3%时,对混凝土拌合物的工作性产生较大的负面影响;而有些地方含泥量达到15%都不会对混凝土拌合物工作性带来较大的负面影响,这主要与粘土的主要成分和粘土与聚羧酸超塑化剂的作用关系有关。

  1 粘土矿物组分介绍

  作为粘土矿物,其层间化学键强很小,格子内的应变很大。在土壤学中,把至大直径小于2μm就是粘土。就目前来看,引起聚羧酸减水剂性能变差的粘土都具有层状结构,从矿物学来讲,具有层状结构的硅酸盐矿物主要有:滑石、云母、叶腊石、高岭土、膨润土和伊利石等。下面就主要岩石矿物进行一一介绍。

  高岭土(Al2O3·2SiO2·2H2O):高岭土是高岭石矿物为基本组成的岩石或者工业矿物。其离子交换能力是所有层状矿物中是非常弱的。高岭石的基本结构是由一个硅氧四面体层和铝氧八面体层连接而成的。硅氧四面体和铝氧八面体层之间是以氢键连接,是八面体的1:1层状构造的硅酸盐矿物。层间小于0.715nm,层间是无水的。交换能力较弱,对聚羧酸减水剂的减水效果影响较小。

  膨润土((Al2,Mg3)Si4O10 OH2·nH2O):对聚羧酸减水剂的影响是很大的。晶层间距在0.96~4nm之间,层间距变化较大,层间滑移能力强。蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体和一层介于中间的铝(镁)氧八面体组成,形成2:1型层状硅酸盐矿物,硅氧四面体中的硅离子经常被铝离子替换,铝氧八面体的铝离子可以被镁离子和亚铁离子等阳离子进行交换,其交换能力是非常强的。通过层间交换,使其产生持久性的负电荷,为保持其电中性,晶层外表面会吸附较多的阳离子,如:钾离子、钠离子、氢离子、铵根离子、镁离子和钙离子,这些离子都是以水化离子状态出现,使其具有非常强的离子交换能力,蒙脱土层间无水时,层间距为0.906nm,层间为钙离子时,就是钙基蒙脱土,其可能会含有两层水分子,层间距为1.55nm,当层间为钠离子时,就是钠基蒙脱土,可能含水为单层,双层和三层,可达1.8~1.9nm,所以钠基蒙脱土相比钙基蒙脱土其对聚羧酸减水剂的影响更大。通常情况下,蒙脱土层间一般是既有钠离子又有钙离子等。为增加蒙脱土的吸水性能,可以将钙基蒙脱土做成钠基蒙脱土,单价阳离子水化能力强,水化层变厚。

  伊利石(K0.75(Al1.75R)[Si3.5Al0.5O10](OH)2):含有吸附水合结构水的层状物质,对聚羧酸减水剂的减水性能影响较小。其晶体结构与蒙脱土类似,主要区别是晶格取代作用多发生在四面体中,铝取代硅氧四面体中的硅,其电负性要比蒙脱石的高,产生的负电荷主要是通过钾离子带来的电性平衡。伊利石晶格不容易膨胀,水不容易进入晶体层状结构之间。因为伊利石的负电荷主要产生在四面体晶片中,离子表面近,钾离子与晶体层面的负电荷之间的静电引力要比氢键强,水也不容易进入晶体层间。因为钾离子的大小刚好嵌入层间空穴中,起到连接作用,周围有几个氧与其配位,所以钾离子很牢固,不易交换。但是在其颗粒外表面可能发生离子交换,但是仅在表层,膨胀较小。

  粘土矿物中主要是以上三种矿物,当然不同地区,其矿物成分不尽相同,可能是不同矿物成分的混合体,但是就其矿物结构来讲,对聚羧酸减水剂性能影响大小如下:蒙脱土>伊利石≈高岭石。

  2 减水剂与粘土的相互作用

  Atarashi等认为蒙脱石的层间可以大量吸附聚羧酸减水剂,而对萘系减水剂的吸附量却不大。Plank认为粘土可将聚羧酸减水剂的整体或一部分吸附到粘土层间,减少用于分散水泥的聚羧酸分子数量,降低聚羧酸减水剂的分散效率,引起性能损失,钠蒙脱土对PCE的吸附性能要远高于水泥。即使是较小量的钠基蒙脱土,对聚羧酸减水剂的分散性能影响也是较大的。

  程勋认为高岭土对于聚羧酸减水剂的影响远没有膨润土严重,且各种不同类型的聚羧酸减水剂对于粘土的敏感程度不同,酯类聚羧酸要比醚类聚羧酸更易受粘土影响。从上述学者们的研究结论中可以大致断定,粘土的层状结构是引起聚羧酸减水剂分子失效的一个主要原因。粘土对聚羧酸减水剂吸附有两种机理:1、聚羧酸减水剂的侧链插入到钠蒙脱土的层间;2、尤其是对于较高离子浓度的聚羧酸减水剂电荷会与蒙脱土的表面的钙离子发生络合吸附作用。发现:在低浓度的PCE时,电荷的作用是占主要作用的。在高浓度时,插入作用是占主要作用的。所以粘土对PCE的吸附量是受这两个作用同时影响的。