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减水剂的作用原理是什么?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-05-11

减水剂的功能是在不减少水泥用量的情况下,改善新拌砂浆的工作性能,提高砂浆的流动性;在保持一定工作性能下,减少水泥用水量,节约水泥;改善砂浆拌合物的可泵性以及砂浆的其他物理力学性能。当砂浆中掺入高效减水剂后,可以显著降低水灰比,并且保持砂浆较好的流动性。通常而言,高效减水剂的减水率可达20%(质量百分数,下同)左右,而普通减水剂的减水率为10%左右。目前,一般认为减水剂能够产生减水作用主要是由减水剂的吸附和分散作用所致。

 

研究砂浆中水泥硬化过程可以发现,水泥在加水搅拌的过程中,由于水泥矿物中含有带不同电荷的组分,而正负电荷的相互吸引将导致混凝土产生絮凝结构(图1)。絮凝结构也可能是由于水泥颗粒在溶液中的热运动致使其在某些边棱角处互相碰撞、相互吸引而形成。

由于在絮凝结构中包裹着很多拌合水,因而无法提供较多的水用于水泥水化,所以降低了新拌混凝土的和易性。因此,在施工中为了使水泥能够较好地水化,就必须在拌合时相应地增加用水量,但用水量的增加将导致水泥石结构中形成过多的孔隙,致使其物理力学性能下降。

加入减水剂就是将这些多余的水分释放出来,使之用于水泥水化,因而可在不降低砂浆物理力学性能的条件下,减少拌合水用量。砂浆中掺入减水剂后,可在保持水灰比不变的情况下增加流动性。减水剂除了有吸附分散作用外,还有湿润和润滑作用。水泥加水拌合后,水泥颗粒表面被水所湿润,而这种湿润状况对新拌混凝土的性能影响很大。湿润作用不但能使水泥颗粒有效地分散,亦会增加水泥颗粒的水化面积,影响水泥的水化速率。

减水剂中的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面上,它们很容易和水分子以氢键形式缔合。这种氢键缔合作用的作用力远远大于水分子与水泥颗粒间的分子引力。当水泥颗粒吸附足够的减水剂分子后,借助于磺酸基团负离子与水分子中氢键的缔合,再加成缔合氢键,水泥颗粒表面便形成一层稳定的溶剂化水膜,这层膜起到了立体保护作用,阻止了水泥颗粒间的直接接触,并在颗粒间起润滑作用。

减水剂的加入,伴随着引入一定量的微气泡(即使是非引气型的减水剂,也会引入少量气泡),这些微细气泡被因减水剂定向吸附而形成的分子膜所包围,并带有与水泥质点吸附膜相同符号的电图2 减水剂的减水作用示意图荷,因而气泡与水泥颗粒间产生电性斥力,从而增加了水泥颗粒间的滑动能力。由于减水剂的吸附分散作用、湿润作用和润滑作用,因而只要使用少量的水就能容易地将混凝土拌合均匀,从而改善了新拌混凝土的和易性。图2为减水剂的减水作用示意图。

图2 减水剂的减水作用示意图

影响减水剂减水作用的因素比较复杂,其中水泥组分中的铝化物的含量对减水剂的影响最为显著。铝化物的水化产物一般为多孔晶体,其吸附能力强,而水化产物的吸附量越快越大,则减水剂的失效越快。就水泥熟料单矿物而言,其水化产物对普通减水剂的吸附量的大小顺序如下:

A>CAF>CS>C

这也说明,铝酸盐含量高的水泥,砂浆的工作性能会损失得较快。

不同类型的减水剂对水泥的适应性也不一样。一般而言,木质磺酸盐类的减水剂对水泥的适应性较差,减水效果也不是很好,而且对水泥的缓凝效果明显,这可能与木质磺酸盐中所含的多糖有关;国内现在较好的减水剂多为三聚氰胺酯类、萘系、羧酸盐类的减水剂。羧酸盐类的减水剂对水泥的适应性最好,其坍落度的保持时间也较长,也是目前比较新型的减水剂,但国内没有规模化生产的厂家。羧酸盐类的减水剂与其他类型的减水剂相比较,其ξ电位下降得慢,砂浆的坍落度经时损失就小,如图3和图4所示。

 

 在混凝土中加入高效减水剂会使混凝土的强度显著提高。其机理主要有两种:第一种机理通常认为是因为高效减水剂的减水率大,可以明显降低混凝土的水灰比,所以能大幅度提高混凝土强度;第二种机理则认为加入高效减水剂能改善水泥颗粒的分散程度,从而可以提高其水化程度,增进其微结构的密实性,改善混凝土的力学性能。

现在为大家普遍接受的减水剂作用机理理论有三种,即静电斥力理论、空间位阻效应理论和反应性高分子缓慢释放理论。这里仅介绍前两种常用的机理理论。

(1)静电斥力理论高效减水剂大多属于阴离子型表面活性剂。由于水泥粒子在水化初期时其表面带有正电荷(Ca2+)减水剂分子中的负离子—SO2- 和—COO就会吸附于水泥粒子上,形成吸附双电层(ξ 电位),使水泥粒子相互排斥,防止了凝聚的产生。电位绝对值越大,减水效果越好,这就是静电斥力理论。该理论主要适用于萘系、三聚氰胺系及改性木钙系等目前常用的高效减水剂系统。

根据DLVO理论,当水泥粒子因吸附减水剂而在其表面形成双电层后,相互接近的水泥颗粒会同时受到粒子间的静电斥力和范德华引力的作用。随着ξ电位绝对值的增大,粒子间逐渐以斥力为主,从而防止了粒子间的凝聚。与此同时,静电斥力还可以把水泥颗粒内部包裹的水释放出来,使体系处于良好而稳定的分散状态。随着水化的进行,吸附在水泥颗粒表画的高效减水剂的量减少,ξ电位绝对值随之降低,体系不稳定,从而发生了凝聚。

(2)空间位阻效应理论

这一理论主要适用于正处于开发阶段的新型高效减水剂——聚羧酸盐系减水剂。该类减水剂结构呈梳形,主链上带有多个活性基团,并且极性较强,侧链也带有亲水性的活性基团。

对氨基磺酸盐系和聚羧酸盐系高效减水剂的对比研究发现:在水泥品种和水灰比均相同的条件下,当氨基磺酸盐系和聚羧酸盐系高效减水剂掺量相同时,水泥粒子对聚羧酸盐系高效减水剂的吸附量以及掺聚羧酸盐系高效减水剂水泥浆的流动性都大大高于掺氨基磺酸盐系统的对应值,但掺聚羧酸盐系统的ξ电位绝对值却比掺氨基磺酸盐系统的低得多,这与静电斥力理论是矛盾的。这也证明聚羧酸盐系发挥分散作用的主导因素并不是静电斥力,而是由减水剂本身大分子链及其支链所引起的空间位阻效应。

研究表明,当具有大分子吸附层的球形粒子在相互靠近时,颗粒之间的范德华力是决定体系位能的主要因素。当水泥颗粒表面吸附层的厚度增加时,有利于水泥颗粒的分散。

聚羧酸盐系减水剂分子中含有较多较长的支链,当它们吸附在水泥颗粒表层后,可以在水泥表面上形成较厚的立体包层,从而使水泥达到较好的分散效果。

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