萘系减水剂在水泥-水界面物理化学现象
时间：2020-08-14 08:08:25 来源：达达文档网 本文已影响 人 
萘系减水剂在水泥-水界面物理化学现象
摘要:研究一种萘系高效减水剂在水泥颗粒上的吸附规律及其作用机理，在此基础上研究水泥-水-减水剂系统的流变特性，分析水泥-水-减水剂系统中水泥粒子的表面作用力及其对分散性能的影响，探讨水泥与萘系高效减水剂的作用机理。
在萘系减水剂所起的作用中，首先是吸附作用，其它作用都以吸附作用为前提，所以研究减水剂在水泥表面的吸附状况和表面张力来评价减水剂的性能以及改善混凝土的工作性能。
关键字：减水剂；吸附；表面张
中图分类号：TQ172 文献标识码：A 文章编号：
1.1 前言
减水剂属于表面活性剂物质，又称为分散剂或塑化剂。由于它的吸附分散作用、湿润作用和润滑作用，使用后可使工作性相同的新拌混凝土的用水量明显减少，从而使混凝土的强度、耐久性等一系列性能得到明显的改善。
长期以来对减水剂作用机理等基础理论的研究一直落后于应用实践。新型高性能减水剂的研究开发工作和应用性能由于受到基础研究的限制，表现出很大的盲目性和随意性。随着新品种高效减水剂的出现和应用的普及，许多问题得不到合理的解释，例如高效减水剂与水泥之间的各种物理化学现象，水泥与高效减水剂的适应性问题，高效减水剂对水泥水化产物的影响以及高效减水剂在水化产物中的存在形式等都需进一步深入的研究。因此，迫切需要对外加剂应用技术和水泥与外加剂相互作用的基础理论进行深入系统的研究，特别是水泥与高效减水剂的界面化学现象和规律需要进一步系统研究。本文主要就萘系减水剂的原理加以评述，进一步分析影响外加剂作用的主要因素。
1.2 作用原理
1.2.1吸附作用和润滑作用
（1） 吸附作用
水泥在加水搅拌后，会产生一些絮凝状结构，如图1-1所示。产生絮凝状结构的原因很多，可能是由于水泥矿物在水化过程中所带电荷不同，产生异性电荷相吸而引起的；也可能是由于水泥颗粒在溶液中的热运动，在某些边棱角处相互碰撞，相互吸引而形成的；还可能是粒子间的范德华力作用以及初期水泥水化反应所引起的。在这些絮凝状结构中，包裹着不少拌合水，从而降低了新拌混凝土的和易性。若能将这些多余的水分释放出来，混凝土的拌合用水量就会大大减少。
图1-1 水泥絮凝状结构图
（2）润滑作用
减水剂离解后的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面，很容易和水分子以氢键形式缔合起来。这种氢键缔合作用的作用力远远大于该分子与水泥间的分子引力(范德华力)，约大一个数量级。当水泥颗粒表面吸附了足够多的减水剂后，借助于R-SO3-与水分子中氢键的缔合作用，再加上水分子间的氢键缔合，使得在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，这层“空间壁障”阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起润滑作用。另外，减水剂的掺入，一般伴随着引入一定量的微气泡，这些气泡被减水剂定向吸附的分子膜所包围，与水泥颗粒上吸附所带的电荷符号相同。因而，气泡与气泡，气泡与水泥颗粒间也因具有电性斥力而使水泥颗粒分散，从而增加了水泥颗粒间的滑动能力。
1.2.2 在水泥颗粒表面的吸附特性
目前，较多的学者认为，减水剂本身并不与水泥起化学反应生成新的水化产物，而只起表面物理化学作用。也就是说，减水剂本身不能提高混凝土的强度，但它可以起到改善混凝土的性能，使水泥的水化过程及水泥石内部结构产生变化。
大量研究者研究了不同类型减水剂在水泥颗粒表面的吸附特性，并提出了多种吸附模型，这些模型普遍认为减水剂的吸附服从Langmuir等温吸附方程。外加剂有选择地吸附在水泥颗粒表面的活性点上，开始时水泥颗粒表面活性较高，有较多的吸附空位，因此减水剂吸附较快；随着吸附空位被逐渐占据，吸附速率开始减慢，最后逐渐达到平衡。此时若再增加减水剂掺量，吸附量将几乎不再增加，也就是说存在饱和吸附量。
2.1 测试方法
2.1.1吸附量测定
采用紫外-可见分光光度计测定高效减水剂在水泥颗粒上的吸附量。根据吸光度与样品的浓度成正比，可以通过测定吸光度得到减水剂溶液的浓度。
经紫外分光光度计的扫描装置扫描读取UNF-5的特征吸收峰波长为：297.0nm.
2.2.2表面张力测定
采用全自动张力仪进行测定，测定时配成0.01%~0.1%之间不同浓度的减水剂溶液，将铂金片浸入待测样品中，待稳定后读取仪器测定值。
2.2.3 净浆流动度实验
本文根据GB8077－2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，选择水泥净浆流动度试验作为检验减水剂与水泥适应性的主要试验方法，通过测定水泥净浆流动度，研究减水剂对水泥净浆初始流动度的影响。
3.1 水泥颗粒表面吸附量的研究
试验测定了不同浓度的减水剂在水泥颗粒表面的吸附量，取水灰比为10：1溶液测得减水剂浓度与吸附量曲线图。其结果如图3—1所示。
图3-1表面吸附量与减水剂浓度的关系
由图3-1可以看出，随着萘系减水剂浓度的增加，吸附量开始增加较快，后期逐渐平缓，最后达到饱和吸附量。
萘系高效减水剂的吸附过程大体上符合Langmuir等温吸附方程，在水泥粒子上产生L-型单分子层吸附。
-极限吸附量；b-吸附常数；c-平衡浓度
图3-2 C/nS与萘系减水剂浓度的关系
由图3-2可求出，极限吸附量为7.97mg/g，由于水泥粒子表面的吸附作用，减水剂在水泥颗粒表面上达到极限吸附量时，便形成较完整的溶剂化单分子膜。此后，若减水剂的浓度继续增加，其吸附量几乎不再有多大增加。
3.2 表面张力与减水剂浓度的关系
当减水剂加入水泥浆体中后，降低其体系的表面张力，因而水分子向水泥颗粒内毛细管的渗透作用增强，并引入了一定量气泡，在水泥浆体中起到微气泡作用，增大了浆体的润滑作用；同时增大了水泥粒子的比表面积，加速了水泥水化，从而对水泥水化也产生了一定的影响。配制水灰比为10：1的水泥浆溶液，将不同浓度的减水剂加入。图3-3为表面张力与萘系减水剂的不同浓度之间的关系。
图3-3 表面张力与萘系减水剂浓度的关系
由图3-3得出，随着萘系减水剂浓度的增加，开始时表面张力急剧下降，而当达到一定浓度后就保持恒定不再下降。萘系减水剂在水溶液中的浓度达到临界胶束浓度为界限，在减水剂浓度达到0.09%时，表面张力几乎不变。因此，减水剂在水泥--水体系中的浓度若等于或稍低于临界胶束浓度时，就能充分显示其减水效果。
3.3 水泥净浆流动度与浓度关系
减水剂掺量是考察减水剂经济性的一项重要指标，通过萘系高效减水剂的不同掺量对水泥净浆分散性能的影响以确定萘系高效减水剂的最佳掺量。水泥净浆流动度随萘系减水剂浓度变化关系，如图3-4。
图3-4减水剂掺量对初始净浆流动度的影响
由图3-4可以看出，随着萘系减水剂浓度的增加，水泥净浆流动度逐渐增加，减水剂浓度达到1.2%时，净浆流动度最大为29cm。所以判断该萘系减水剂的最佳掺量为1.2％。之后减水剂的浓度增加，净浆流动度逐渐下降。
将“水泥-水-高效减水剂”系统中界面现象随减水剂浓度的变化与水泥浆体的流变性随减水剂浓度增加的变化联系起来，从而揭示减水剂对“水泥-水”系统的分散作用本质，并预测和评价各种减水剂的减水分散特性，图3-5看出萘系减水剂浓度不同测得净浆流动度与吸附量的对应关系。
图3-5 净浆流动度与吸附量随减水剂浓度变化曲线
由图3-5得出相同质量浓度条件下水泥对减水剂的吸附量越大，水泥浆体的流动度越小。反之，吸附量越小，水泥净浆的流动性越好。这是由于水泥对减水剂的高吸附量，引起液相中高效减水剂的浓度降低，对水泥的分散作用减弱，造成浆体流动性减弱，不利于保塑性能。因此，极限吸附量可以反映出萘系减水剂保塑性能的优劣。试验所测定的“吸附量”实际上是“表观吸附量”，它包含了被水泥水化产物嵌入而消耗的那部分高效减水剂，这部分高效减水剂对水泥颗粒不起分散作用，是“无效吸附量”。在试验条件下，测定得到的“吸附量”越大，表明被消耗的减水剂越多，而留在溶液中的高效减水剂量越少，与水泥颗粒表面保持平衡的“有效减水剂量”越少，水泥颗粒表面起分散作用的有效高效减水剂的吸附层厚度越小，所以水泥净浆流动度越小。
4.1 结论
（1）吸附量与水泥净浆流动性有关。相同条件下水泥对减水剂的吸附量越大，水泥浆体的流动度越小。反之吸附量越小，水泥净浆的流动性越好。
（2)在实验条件下，测定得到的吸附量越大，表明被消耗的减水剂越多，而留在溶液中的高效减水剂量越少，与水泥颗粒表面保持平衡的“有效减水剂量”越少，水泥颗粒表面起分散作用的有效高效减水剂的吸附层厚度越小，所以水泥净浆流动度越小。
（3)减水剂在水泥--水体系中的浓度若等于或稍低于临界胶束浓度时，就能充分显示其减水效果。
（4)按照施工方对混凝土性能要求的不同，根据萘系高效减水剂的极限吸附量的差异，合理地调整减水剂在混凝土中的掺量以及与其它外加剂的比例，使其在保塑性和其它物理力学性能方面都能达到最好的效果。
参考文献
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