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聚羧酸系减水剂如何在混凝土中应用的?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-05-25

一、试验用的主要原材料和仪器测试方法

(一)实验用的主要原材料

(1)减水剂:FDN萘系减水剂;PC聚羧酸系减水剂。

(2)水泥:华新P·S32.5,P·O42.5;洋房P·O42.5。

(二)水泥及混凝土试验

按照GB/T8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行水泥净浆和混凝土试验。

(1)ξ-电位的测定

采用DBL-B型表面电位仪,根据界面迁移法测定水泥颗粒表面的ξ-电位。

E:两极间的电位,V。

(2)X-射线衍射分析(XRD)

采用日本产D/MAX—III型X-射线仪进行测试。

(3)DSC-TG

采用德国NETZSCH STA 449C综合热分析仪进行测试。

二、结果与讨论

(一)水泥及混凝土性能试验

(1)水泥净浆流动度试验(表1)

表1 FDN、PC减水剂对不同水泥的净浆流动度试验

从表1中可以看出,聚羧酸系减水剂对不同品种、不同强度等级的水泥有良好的适应性,且较低的掺量下表现出较好的分散性和分散保持性;而萘系减水剂掺量较高,同时流动度经时损失较大。从现有减水剂理论分析,萘系减水剂吸附在水泥颗粒表面,依靠阴离子的静电斥力将水泥颗粒分开;而聚羧酸系减水剂吸附在水泥颗粒表面,一方面是静电斥力的作用,另一方面由于长侧链的存在起到空间位阻作用,增强分散能力和分散保持能力。因此,聚羧酸系减水剂表现出更好的分散性和分散保持性。

(2)混凝土性能试验

在水泥净浆试验的基础上,进一步进行了掺粉煤灰和不掺粉煤灰的混凝土物理性能和强度试验,试验结果见表2、表3。

表2 不掺粉煤灰的混凝土性能试验

表3 掺粉煤灰的混凝土性能试验

从表2、表3可以看出,聚羧酸系减水剂在混凝土中表现出更好的分散性,与萘系减水剂相比有较好的保坍性,1h坍落度基本不损失。但由于聚羧酸系减水剂分子中的缓凝官能团的作用,使得配制的混凝土早期强度较低。与萘系减水剂相比,不掺粉煤灰的混凝土7d抗压的强度低于萘系减水剂配制的混凝土,特别是掺粉煤灰的混凝土,28d的抗压强度超过了萘系减水剂配制的混凝土。因此,对于有早强要求的混凝土,建议聚羧酸系减水剂与某些早强剂配合使用,以提高混凝土早期强度。

(二)减水剂的作用效果分析

从水泥净浆流动度和混凝土的试验结果来看,两种减水剂在分散性和强度发展上呈现出较大的差异,为此我们进行了进一步的研究。 

  (1)减水剂作用机理分析

图1为四种聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的ξ电位值关系。掺减水剂以后,在水泥水化的诱导前期,CA,CAF快速水化使水泥颗粒表面带正电,水泥空白样的ξ电位值为+10mV左右。而添加减水剂后,由于负电基团强吸附力,减水剂分子吸附于水泥颗粒表面,导致胶粒表面ξ-电位由正变负。从图1中可以看出,掺入几种聚羧酸系减水剂的 ξ-电位值分别为-10~-15mV,而萘系减水剂为-27mV,可见聚羧酸系减水剂的ξ-电位值明显小于萘系减水剂。

图1 四种聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的ξ-电位值关系

对于萘系减水剂,一方面憎水主链吸附在水泥颗粒表面,阻止水与颗粒接触,抑制水泥水化进行;另一方面高接枝密度的磺酸基(—SO-/3 ) 在水泥颗粒表面的吸附能力较强,提供静电斥力,使颗粒趋于分散。而对于聚羧酸系减水剂,其分子结构中含有羟基(—OH)、羧基(—COO)、磺酸基(—SO-/3 )、聚氧乙烯基(—OCHCH—) 等功能性官能团,一方面主链吸附在水泥颗粒表面阻止颗粒与水接触,同时羧基(—COO) 提供静电斥力;另一方面聚氧乙烯基(—OCHCH—)长侧链产生空间位阻效应,分散水泥颗粒,同时大大增加了水化层的厚度,延缓水泥水化。因此,聚羧酸系减水剂对水泥的分散能力和对水化的抑制能力明显强于萘系减水剂。

(2)减水剂作用下水泥水化历程分析

图2为相同掺量的FDN和PC减水剂水泥水化1dXRD、7dXRD、28dXRD,从图2中可以看出,掺聚羧酸系减水剂的水泥水化1d、7d时,CH、AFt衍射峰不明显,而掺萘系减水剂的CH、AFt衍射峰非常明显,说明聚羧酸系减水剂在水化初期抑制了CA、CS的水化,延缓了CH、AFt的生长,且对初期水泥水化的抑制能力强于萘系减水剂。而对28dCH衍射峰,掺聚羧酸系减水剂的水泥样稍微低于萘系减水剂的水泥样。虽然聚羧酸系减水剂对初期水化有很强的抑制作用,但基本不影响其后期结构的发展,这是因为在水泥水化的碱性介质中,减水剂分子链中的活性基团(如—COO-)与水泥水化生成不稳定络合物,阻碍了矿物最初相的析出,减少了水化产物CH晶体的生成,抑制初期水化;而随着水化的缓慢进行、CH的增加、不稳定络合物的分解,水泥水化继续进行,减水剂分子对水泥水化的抑制作用逐渐消失。因此,掺两种不同减水剂,FDN—Ⅱ 减水剂的早期水泥水化速度快,相应表现出初始流动度较小且流动度损失较大,早期强度发展较好;对后期水泥水化程度影响较小,由于聚羧酸系减水剂优良的分散性,使得水泥水化更为充分,更有利于后期强度的发展。这与前述试验结果基本一致。

 

图2 掺FDN、PC减水剂水泥水化的XRD

图3 掺FDN和PC减水剂1d水泥水化样DSCTC分析(0.2%)曲线1—掺FDN;2—掺PC

图3为掺FDN减水剂和PC减水剂1d水泥水化样的DSC—TG分析(0.2%)曲线。采用TGDTG测试水泥浆体水化产物时,水化产物在50~1000℃温度范围有三个主要吸热峰:50~140℃之间的是C—S—H凝胶、AFt脱水对应的大吸热峰;400~550℃之间的是CH分解对应的吸热峰;550~800℃之间的是CaCO 分解、C—S—H凝胶及AFt可能碳化的产物分解、C—S—H凝胶及AFt后期脱水对应的吸热峰,与吸热峰相对应有三个明显的热失重。与萘系减水剂相比,对于掺聚羧酸系减水剂1d水化样60~210℃的C—S—H凝胶、AFt吸热谷要浅,峰宽减小,说明水泥水化产物中AFt晶体及C—S—H凝胶的生成量较少;400~500℃的氢氧化钙分解吸热谷也变得窄浅,水化1d时几乎没有吸热效应,表明CH含量极少,聚羧酸系减水剂严重地抑制了CS水化。相对应的TG曲线上也显示了相同的规律。这与XRD的分析是一致的:早期聚羧酸系减水剂对水泥水化的抑制能力明显强于萘系减水剂。同样也证实了前面研究成果的一致性,掺两种不同减水剂,HY—PC减水剂的早期水泥水化速度较慢,相应表现出水泥净浆流动度损失小,早期强度发展较差。

三、结论

(1)与萘系减水剂相比,聚羧酸系减水剂能有效抑制早期水泥CA、CS的水化,但能充分发挥水泥的后期水化,有利于混凝土后期强度的发展。

(2)与萘系减水剂相比,聚羧酸系减水剂依靠静电斥力和空间位阻作用,对水泥颗粒有更好的分散性能和分散保持性。

(3)聚羧酸系减水剂能抑制矿物最初相的析出,减少1d水化产物CH等晶体生成量,而不影响后期结构的发展。

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