“水泥-水-高效減水劑”系統(tǒng)的界面化學(xué)現(xiàn)象與流變性能.pdf

1、混凝土外加劑已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土材料的基本組份，正在建筑工程、水利水電、道路橋梁、地下結(jié)構(gòu)、石油鉆井及海工結(jié)構(gòu)等中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。高效減水劑是混凝土外加劑中最重要的化學(xué)外加劑，其生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)水平很大程度上決定著當(dāng)今混凝土材料生產(chǎn)技術(shù)和施工應(yīng)用水平。在混凝土高性能化和功能化發(fā)展進(jìn)程中，以高效減水劑為代表的化學(xué)外加劑所起的作用是關(guān)鍵性的。高效減水劑也是制備高性能混凝土和其它先進(jìn)水泥基復(fù)合材料的關(guān)鍵材料和重要技術(shù)手段之一。但長(zhǎng)期以來(lái)，混

2、凝土外加劑在水泥混凝土行業(yè)一直作為一種技術(shù)秘密或技術(shù)產(chǎn)品在使用，因此大量的研究工作都集中在外加劑的制備方法、生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的研究上，而對(duì)水泥與外加劑相互作用的基本原理、界面化學(xué)現(xiàn)象和作用過(guò)程等基礎(chǔ)研究卻重視不夠。其結(jié)果是關(guān)于高效減水劑的基礎(chǔ)理論研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足混凝土生產(chǎn)實(shí)踐的需求，外加劑的應(yīng)用更多地是靠經(jīng)驗(yàn)而不是理論指導(dǎo)。本文選擇“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的界面化學(xué)現(xiàn)象和流變特征作為研究課題，旨在通過(guò)深入系統(tǒng)地研究水泥與高效減水劑

3、在水介質(zhì)中的一系列界面化學(xué)現(xiàn)象及其影響規(guī)律，利用膠體化學(xué)、界面化學(xué)、水泥化學(xué)和高分子化學(xué)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，分析水泥與高效減水劑的相互作用機(jī)理，確定系統(tǒng)中界面化學(xué)現(xiàn)象、系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)和流變特性的關(guān)系，指導(dǎo)水泥、混凝土及外加劑的生產(chǎn)實(shí)踐。 試驗(yàn)選用具有代表性的四種高效減水劑及水泥單礦物和不同組成的水泥，在對(duì)不同類型的高效減水劑的分子量、分子結(jié)構(gòu)及性能測(cè)定分析的基礎(chǔ)上，首先研究了四種高效減水劑在四種水泥單礦物上的本征吸附特性和單礦物在水介

4、質(zhì)中的動(dòng)電電位。在試驗(yàn)室設(shè)計(jì)和燒制了不同礦物組成的水泥，研究了水泥礦物組成對(duì)高效減水劑在水泥顆粒上的吸附量、動(dòng)電電位的影響規(guī)律，并探討了高效減水劑的吸附量與動(dòng)電電位和水泥漿流動(dòng)性關(guān)系。利用ESEM研究了不同“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的早期微觀結(jié)構(gòu)和流變特性，進(jìn)而分析了“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)中的粒子表面作用力的類型及其影響因素，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定的四種高效減水劑的吸附量和顆粒表面電位數(shù)據(jù)，計(jì)算了四種高效減水劑對(duì)水泥粒子間作用力的影響，并

5、確定了各種作用力對(duì)分散效果的貢獻(xiàn)。 水泥的礦物組成對(duì)高效減水劑在水泥上的吸附性能有重要影響。水泥四種礦物中對(duì)高效減水劑的吸附量由高到低的順序?yàn)椋篊3A＞C4AF＞C3S＞β-C2S。C3A對(duì)各種高效減水劑都表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸附，其吸附量高出其它礦物一個(gè)數(shù)量級(jí)，C4AF對(duì)高效減水劑的吸附量略高于硅酸鹽礦物，β-C2S對(duì)含磺酸基的高效減水劑的吸附量最小，但對(duì)聚羧酸表現(xiàn)出較高的吸附量(僅次于C3A)。氟石膏對(duì)高效減水劑的吸附能力高于二水石

6、膏和硬石膏。 不同品種的高效減水劑在水泥單礦物和水泥顆粒上的吸附量明顯不同。萘系高效減水劑在水泥礦物和水泥顆粒上的吸附量最大，其次是脂肪族磺酸鹽，然后是氨基磺酸鹽，吸附量最小的聚羧酸鹽高效減水劑。但聚羧酸鹽在β-C2S吸附量高于其它高效減水劑，表現(xiàn)出反常規(guī)律。按照吸附量計(jì)算，各種高效減水劑在水泥單礦物和水泥顆粒表面發(fā)生了分子層吸附。高效減水劑在水泥顆粒上的吸附量與水泥凈漿流動(dòng)度正好呈反向變化規(guī)律。 硅酸鹽礦物在純水中呈現(xiàn)

7、出負(fù)電位，而鋁酸鹽礦物呈現(xiàn)出正電位；水泥顆粒在水中的帶電狀態(tài)比較復(fù)雜，但隨著水化的進(jìn)行逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)電性；摻加高效減水劑的水泥單礦物和水泥顆粒表面都帶有負(fù)電性，不同高效減水劑傳遞到水泥顆粒表面負(fù)電位大小的能力依次為：FAS＞UNF＞AS＞PC，顆粒表面電位與吸附量之間并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。 不同“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的流變特性與高效減水劑的分散性能有關(guān)，含聚羧酸高效減水劑系統(tǒng)的屈服值和塑性粘度最小，含萘系高效減水劑的屈服值和塑性粘度

8、最大。高效減水劑的流變特性由其早期結(jié)構(gòu)決定，ESEM清楚觀測(cè)到“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的新拌狀態(tài)的早期結(jié)構(gòu)及其水化產(chǎn)物，含聚羧酸系統(tǒng)的水泥顆粒呈完全分散狀態(tài)，結(jié)構(gòu)均勻，其它系統(tǒng)的分散不完全。 本論文研究成果進(jìn)步在于，把“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的流變特性和相關(guān)的界面化學(xué)現(xiàn)象有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，并對(duì)高效減水劑應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行合理的理論解釋。首次采用ESEM研究了“水泥—水—高效減水劑”系統(tǒng)的早期結(jié)構(gòu)特性及其演變，并通過(guò)粒子間表面作用力