砂石含泥量高对聚羧酸系减水剂应用会有什么影响？

砂石含泥量高对聚羧酸系减水剂应用会有什么影响？

聚羧酸减水剂（PCE）对混凝土中砂石含泥量十分敏感，主要表现为含泥量会影响新拌混凝土的和易性。在砂石料不含泥或低含泥情况下，聚羧酸减水剂具有非常优越的使用性能，可是一旦砂石中含泥量上升，聚羧酸减水剂的使用性能就会大幅下降。首先，从混凝土工作性来说，它影响了混凝土的坍落度和扩展度及其保持能力，表1为C30混凝土在不同含泥量情况下的坍落度和扩展度。

可以看到，砂石含泥量在3.3%以下时，混凝土工作性并未受到本质影响，和易性和坍落度保持能力均良好。可当含泥量超过4.3%后，混凝土的工作性出现下降，主要表现为坍落度损失大，保持性能下降严重。这说明在含泥量高状态下，聚羧酸减水剂的高减水高保坍性能受到极大影响，丧失优异的使用性能。

其次，从混凝土的力学性能来说，砂子含泥量过高还会对混凝土强度产生影响。相关实验数据表明，C30混凝土在砂石不含泥情况下，28d抗压强度可达到45MPa～50MPa，如果砂石含泥量在3%～4%以下，28d强度变化不明显。一旦含泥量超过5%，7d和28d强度会出现不同程度下降；在含泥量达到8.3%时，28d抗压强度只有35MPa左右。

所以说，砂石中含泥量过高，会使聚羧酸减水剂失效，无法发挥出其减水率高和保坍性能优异等特点。

砂石中含泥为什么会对聚羧酸减水剂产生影响？

砂石中的泥成分并不都对聚羧酸减水剂有抑制作用，大量研究发现，泥中的粘土类矿物对聚羧酸减水剂的影响是主因。粘土多是层状的硅酸盐矿物，这类矿物的特点是构成单位结构的片层间存在层间域，吸水后容胀，尺寸会变大，并将水分子和聚羧酸分子吸入其中，导致体系中水量的进一步减少，以及用于分散水泥颗粒的聚羧酸减水剂分子被粘土占据，而影响整个混凝土体系的和易性。

粘土指粘粒（粒径≤2μm的颗粒）含量大于50％，具有粘结性和可塑性的层状或层链状硅酸盐的多矿物集合体，一般为蒙脱石、高岭石、伊利石和云母等的混合体。以蒙脱石为例，其完全脱水状态下的层间距仅为1nm左右，而完全吸水膨胀后层间距可达2.14nm，PCE分子就易被吸入粘土的层间。但通过测量PCE分子在液相环境下的均方旋转半径Rg发现，分子量在几万的常规PCE分子，其Rg远远大于2.14nm，PCE分子整体被吸附进入粘土层间的看法是不能成立的。PCE的梳型分子结构中的侧链多为细长状，在水环境中很容易伸展而被吸附进入粘土层间，导致整个PCE分子被锚固在粘土颗粒上，分散效能下降，如图1。蒙脱石结构如图2所示。PCE分子侧链插入到蒙脱石层间后，其EO基团上的O与层间H2O中的H之间会产生氢键络合作用，而H2O中的O与蒙脱石T层上的-OH键也会产生氢键络合作用。这相当于H2O起到了桥接的作用，间接将PCE分子侧链锚固在蒙脱石T层之间。在水逐渐散失直至脱除的过程中，EO基团上的部分O会逐渐与蒙脱石T层上的-OH结合形成氢键，导致PCE侧链无法随水分子抽离出层间。这从蒙脱石层间距d（001）的变化上得到了验证.

实验选择某地膨润土作为研究对象，XRD结果显示在自然干燥状态（Dry）下，出现明显的蒙脱石峰，其层间距d（0 01）=1.4 43nm，是典型的钙基膨润土。经水浸泡处理（Water）后再干燥到自然状态后，其层间距d（001）=1.487nm，可以认为其层间距未发生本质变化，说明层间域经吸附水到脱除水的过程后，层间距恢复到干燥状态下的水平。可是再用一定浓度的PCE溶液（Water+PCE）处理试样并干燥后，其层间距d（001）=1.863nm，说明蒙脱石的层间区域并没有恢复到原来的水平，而且在尺寸变化上相差的约0.4nm也与PCE单位侧链在水中伸展宽度（0.35nm～0.4nm）相吻合。这说明，在无其他外加成分的前提下，蒙脱石层间距d（001）的变化可以认为是PCE侧链被吸入层间后，在水的脱除过程中并未随水一并抽离而导致的，这说明粘土的层结构与PCE侧链间是存在比较强的作用力的。

蒙脱石在吸附PCE的同时，本身的颗粒体积也会变大，普通钙基膨润土的吸水率为150%，吸水能力更强的钠基膨润土吸水率可达400%以上，粘土颗粒本身体积尺寸的增大也相当于增加了混凝土体系中固相成分的体积，同时被吸附进入层间的自由水也无法再参与到体系的流动中去，这都进一步加剧了混凝土和易性的变差。

该如何解决粘土对聚羧酸减水剂的影响问题？

目前解决这类问题的有效措施还在探索，研究主要集中在对聚羧酸减水剂分子结构的优化设计和复配其他助剂的两种方式上。

一方面，可以通过分子结构设计，将聚羧酸分子的侧链尺寸进一步增大，使其远大于粘土层间容胀后的尺寸，而不能够进入到粘土层间；抑或是开发星形结构的新一代聚羧酸分子，这种PCE分子的单位分散能力更高，所以即使这种减水剂分子被粘土吸附，也可以通过它更高的分散效率加以弥补，目前这种PCE分子正在实验室设计阶段，未有实际应用和产业化报道。

另一方面，可以合成一种更易被粘土吸附的小分子，与聚羧酸复配使用，能够优先吸附在粘土颗粒上，使粘土的层间域得到填充，在空间位阻作用下，PCE分子就不易再进入到层间，从而达到保护的目的。这类优先吸附的助剂分子量不宜过大，过大会由于交联作用使浆体的粘度反增，且由于粘土颗粒带负电，在设计这类低分子量聚合物时可以在结构中引入正电基团，这样更利于粘土的吸附。北京工业大学生态建材实验室多年来一直从事这方面研究，制得的小分子粘土抵抗剂的使用效果良好，在低掺量情况下（根据粘土种类，掺量为粘土质量的0.3%～0.5%）可以达到良好的使用效果。借助GPC凝胶色谱仪对粘土抵抗剂的分子量分析

这种粘土抵抗剂的数均分子质量Mn约为4800左右，分子在水相中均方旋转半径Rg为0.2nm～0.3nm，加之在合成过程中有意将带“+”电的官能团引入到主链上，都促使这种小分子抵抗剂更易被粘土矿物吸附，TOC总有机碳吸附量实验也证明了这一点（图5），蒙脱石对粘土抵抗剂的吸附量要大于PCE。在含泥量为7%的C30混凝土实验中引入这种粘土抵抗剂，可以改善拌合物的和易性，

此外，将一定质量硅酸钠、碳酸钠或木质素磺酸钠（钙）与粘土抵抗剂复合，对粘土也具有分散作用。

解决粘土问题的现实意义？

目前，我国绝大多数城市都面临着原材料匮乏的问题，很多砂石含泥量都在3%以上，即使这样，多数地区的砂石原料还是供不应求，而工民建工程中对混凝土原材料质量控制本身没有大型工程及重点工程中那样严格，这都要求聚羧酸减水剂要想做到真正的推广，就必须解决好粘土问题。同时，粘土问题还具有复杂性，这主要表现在不同种类粘土的副作用程度不同，例如高岭土在混凝土中含量达到5%～6%以上时，才会表现出对和易性的不利影响，而膨润土含量仅为1%时，就已经使体系丧失工作性。同时我国南北方地区的情况也存在差异，在南方地区，砂石中粉末型物质含量甚至达到10%以上都不会对体系带来影响，而在我国北方地区，含量有时仅为3%时，和易性就会变坏。