粘土对聚羧酸减水剂分散性能影响研究进展
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【摘要】简述了近几年粘土矿物对聚羧酸减水剂分散性能的研究进展，介绍了国内外改善粘土矿物对聚羧酸减水剂性能影响的措施，并对其发展做了展望。
【关键词】粘土；聚羧酸；分散性能
前言
聚羧酸减水剂是近几年发展起来的新型减水剂， 由于它减水率高、副作用小，现已经越来越广泛应用于商品混凝土中。然而，随着砂石质量的逐渐恶化，砂石中的高含泥量严重影响了聚羧酸减水剂的分散性能，使其减水率不足、坍落度损失大。现在，已经有越来越多的混凝土工作者们在从事相关的研究，但国内鲜有综合性的报道，本文总结了近年来关于粘土对聚羧酸减水剂分散性能影响的报道，使聚羧酸减水剂能够在混凝土行业中得到更广泛的应用。
一、粘土矿物对掺聚羧酸减水剂分散性能的影响
一般认为，聚羧酸减水剂与水泥浆体接触后，吸附到水泥颗粒上，然后发挥其空间位阻作用，使新拌混凝土具有较好的分散性能。粘土矿物对聚羧酸性能的影响主要是和水泥存在竞争吸附的关系，粘土矿物也会吸附聚羧酸减水剂，导致在粘土矿物含量较多的混凝土中，需要更多的聚羧酸减水剂掺量才能满足混凝土和易性的要求[1]。
德国慕尼黑工业大学的 Plank 教授认为[2]，解决聚羧酸系减水剂对粘土的敏感性问题是进一步推广应用的关键。他认为粘土对聚羧酸减水剂具有吸附作用，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。这一观点目前得到学术界的普遍认可。日本的 DaikiAtarashi等人[3]对膨润土与萘系和聚羧酸两种减水剂的相互作用机理进行了较为详细的比较研究，他指出，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，但是对于粘土以何种方式吸附聚羧酸减水剂却没有进一步说明。王子明等[4]利用总有机碳吸附仪（TOC），研究了不同粘土矿物对聚羧酸减水剂分散性能的影响，实验结果表明，粘土矿物对聚羧酸减水剂的吸附要比水泥大得多，膨润土对聚羧酸减水剂的吸附量是水泥的数十倍，水泥对聚羧酸系的吸附量随时间不断增长，而粘土矿物对聚羧酸减水剂的吸附在初始就将达到其平衡。马保国等[5]采用有机碳吸附仪研究了水泥、泥土和水体系中聚羧酸减水剂吸附量与吸附时间、减水剂浓度、体系温度的关系。同时，对减水剂吸附模型和吸附热进行了分析，探讨了聚羧酸减水剂在水泥、泥土颗粒表面的吸附特性。
二、粘土矿物对聚羧酸减水剂的吸附机理及吸附方式
目前，研究者们对粘土矿物与聚羧酸减水剂相互作用的机理探讨非常少，主要的研究还是集中在一些宏观试验上。针对粘土矿物与聚羧酸减水剂之间的相互作用，现在主要有三种比较认同的观点。
第一种是化学吸附。在这种情况下，超塑化剂由于粘土矿物化学吸附而与内层空间相结合，结合过程中会形成有机矿物相，而在此过程中被消耗掉的超塑化剂不再起分散作用。第二种观点是，粘土矿物吸水后膨胀，可以在凝胶状水泥或者超塑化剂颗粒的周围形成非渗透膜，阻止水泥与超塑化剂的作用。最后一种观点认为，超塑化剂仅被吸附在粘土矿物颗粒表面[6]。
程勋等[7]对混凝土原材料与聚羧酸减水剂的适应性做过细致研究，其中就包含粘土问题。他的研究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，聚酯型要比聚醚型减水剂更易受粘土影响。吴昊等[8]认为蒙脱土与聚羧酸减水剂相互作用的过程中，PCE分子侧链插入到蒙脱石层间，这就相当于水起到了桥接作用，间接将PCE分子侧链锚固在蒙脱石T层之间。
三、改善粘土矿物对聚羧酸减水剂性能影响的措施
国内砂石资源逐渐紧缺是不争的事实，砂石中的含泥量高是普遍存在的问题，改善粘土矿物对聚羧酸减水剂性能影响是非常必要的，近几年，研究者们也陆续提出了不少的方法来改善粘土矿物对聚羧酸减水剂的影响，但是在工程中并没有非常成功的案例。目前主要有三种解决措施，一是对聚羧酸减水剂进行分子设计，减少粘土矿物对它的吸附；二是开发另外一种试剂与聚羧酸进行复配使用，提高混凝土的和易性；三是开发一种牺牲剂，让它吸附在粘土矿物颗粒上，减少对聚羧酸减水剂的吸附[9]。
吴华明等[10]借助接枝共聚物构效关系，采用现代分子裁剪技术，设计开发了一种减水率高、对骨料含泥量容忍度高的新型接枝共聚物超塑化剂。接枝聚合物中引入较大比例的长聚醚侧链提供空间位阻（分子量高达10000以上），聚醚侧链以醚键（-O-）和主链相连，不但对分散提供强大的空间位阻效应，而且也由于其空间效应，降低了粘土矿物的吸附。肖怀芬等[11]研发了一种助剂Z，当用Z剂与聚羧酸减水剂复配后，无论是净浆还是混凝土，其与萘系减水剂、纯聚羧酸减水剂相比效果都优于它们。从性价比上看，，Z剂与聚羧酸减水剂复配后是萘系减水剂的掺量的1/3，是聚羧酸减水剂掺量的2/3，且每吨成本和纯聚羧酸减水剂基本一样。
四、总结
目前，人们对于粘土对聚羧酸减水剂分散性能的影响认识依旧不够全面，对粘土矿物与聚羧酸减水剂相互作用的机理探讨仍然很少。针对不同地区粘土成分的区别，还找不到一种行之有效的解决方案。在今后的研究中，不仅要解决粘土矿物对聚羧酸减水剂分子的吸附问题，而且要解决粘土矿物自身对混凝土和易性的影响，使得聚羧酸减水剂在混凝土工业发展中得到更广泛的应用。
参考文献：
[1] 刘国栋， 等. 砂子含泥量对掺用聚羧酸高效减水剂混凝土性能的影响及有效对策[J]. 商品混凝土， 2008（3）： 15-18.
[2] Johhna Plank.Historical and Present Development of Concrete Superplasticizers[R].Beijing University of Technology，2010.
[3] Daiki Atarashi.Interaction Between Superlasticizers and Clay Minerals[J].Cement Science and Concrete Tehnology，2004 （58）：65-68.
[4] 王子明， 等. 不同粘土矿物对聚羧酸系减水剂应用性能的影响[J]. 商品混凝土， 2010（3）： 24-26.
[5] 马保国， 等. 含泥量对减水剂性能的影响规律[J]. 济南大学学报， 2012， 26（4）： 331-336.
[6] 张德成， 等. 外加剂相容性及其对混凝土性能的影响[J]. 硅酸盐通报， 2 006， 25（4）： 162-167.
[7] 程勋. 混凝土原材料对聚羧酸减水剂应用性能的影响[D]. 北京： 北京工业大学硕士学位论文， 2010， 1-24.
[8] 吴昊， 等. 聚羧酸减水剂在劣质砂石混凝土中的失效分析[J]. 混凝土， 2012（6）： 86-88.
[9] 李崇智， 等. 梳形聚羧酸系减水剂与水泥的相容性研究[J]. 建筑材料学报， 2004， 7（3）： 252-260.
[10] 吴华明， 等. 高适应性接枝共聚物超塑化剂的构筑及性能[J]. 江苏建筑， 2011（2）： 101-106.
[11] 肖怀芬， 等. 聚羧酸减水剂抑制混凝土中泥含量的新措施[R]. 北京： 水泥与混凝土， 2011.