相克緣于相吸——當聚羧酸遇到泥
在混凝土界，原材料砂石中的含泥量對聚羧酸減水劑工作性能的不利影響已經為大家所公認，這方面國內外的專家已進行了大量的研究，并取得了較一致的結論：泥土中粘土組分的吸附作用是導致聚羧酸減水劑減水效果下降的主要原因。
國外對該問題的研究主要是針對層狀結構的粘土對聚羧酸減水劑的吸附作用及作用機制進行了分析。L.Lei和Adarashi等研究發現，聚醚型聚羧酸減水劑的支鏈結構能進入粘土的層狀結構而發生吸附作用。Yamada、Ferrari和Winnefeld等人也有類似的研究，均發現高分子量的聚合物能優先吸附在粘土顆粒上。
那泥是什么呢？泥是由多種粘土礦物及有機質等以不同比例混合而成的混合物。最常見的粘土礦物主要有：蒙脫石、伊利石、高嶺石（著名的觀音土），其它還有蛭石、地開石、珍珠陶土、海泡石、綠泥石、凹凸棒石等粘土礦物。
蒙脫石是一種2:1型的層狀硅酸鹽，屬于單斜晶系。蒙脫石的單元晶層之間靠氧原子聯接，聯接力較弱，因此其層間距較大，一般大多維持在0.9~2.1nm之間。同時，蒙脫石的晶層間還具有很強的吸水特性，吸水之后體積發生膨脹。
伊利石和蒙脫石的結構基本相似，同屬于2:1型的鋁硅酸鹽礦物，是單斜晶系礦物。伊利石的晶層之間靠氧的分子力和鉀離子聯接，由于層間鉀離子半徑的大小與晶層面上氧原子形成的六邊網格半徑相當，因而伊利石的晶層間結合牢固，不易發生吸水膨脹。
高嶺石是1:1的層狀硅酸鹽類，屬于三斜晶系。高嶺石的單元晶層一面是硅氧四面體的O群，另一面是鋁氧八面體的OH群，晶層通過O和OH形成的氫鍵以及范德華力緊密連接，作用力較強，所以通常情況下高嶺石的層間距較小，一般小于0.3nm，同時也由于氫鍵的聯接力較強，所以高嶺石的層間完全沒有吸水特性，遇水不會發生吸水膨脹。
從蒙脫石、伊利石、高嶺石三種常見粘土礦物的晶體構造特點可以看出，不同的粘土礦物其晶體構造并不一致。與高嶺石相比，層狀結構的蒙脫石、伊利石更容易對聚羧酸減水劑產生吸附。那這種吸附是如何發生的呢？
“所謂不是冤家不聚頭”，泥對聚羧酸減水劑“過敏”，二者“相克”，正是緣于“相吸”。原來，當聚羧酸減水劑加入到混凝土體系中后，水泥顆粒表面的Zeta電位幾乎無變化，水泥顆粒之間的靜電斥力作用很弱，聚羧酸減水劑對于水泥顆粒的分散作用完全依賴于聚羧酸分子結構中較長的聚醚側鏈。當聚羧酸減水劑吸附于水泥顆粒上時，其聚醚（PEO）長側鏈側鏈能形成立體交叉，阻礙水泥顆粒的相互接近，形成空間阻隔，從而達到減水、分散的功能。當混凝土體系中含有大量層狀結構的泥時，因泥的晶體間距較大，使具有梳狀支化結構的聚羧酸分子插層進入泥的層間結構中，導致聚羧酸無法形成空間阻隔，無法阻止水泥顆粒相互接近，表現出來的表觀現象就是水泥分散效果急劇下降，需要較大幅度地提高聚羧酸減水劑摻量才能獲得相同的流動度。
萘系減水劑相對于聚羧酸而言，對泥不會那么敏感。這是因為萘系減水劑與聚羧酸減水劑的減水機理不同。聚羧酸減水劑減水機理主要為空間位阻效應，而萘系減水劑減水機理主要為靜電斥力效應。當萘系減水劑加入到混凝土體系中后，會極大地增大水泥顆粒表面的Zeta電位（一般在-30mv左右），使得水泥顆粒間（包括粘土顆粒）呈現相互排斥的趨勢，而Zeta電位不會因為減水劑分子吸附到黏土顆粒表面或層間而大幅度降低。
蒙脫石顆粒因具有層間結構，會優先于水泥顆粒吸附減水劑分子。
針對以上機理，近年來國內外專家對如何解決粘土吸附聚羧酸問題進行了廣泛、深入的探索，科之杰集團近年來也開展了許多富有成效的研究。
解決泥粘土吸附聚羧酸的問題，通常采取的技術途徑主要有：外摻抗泥劑或使用抗泥型聚羧酸。
其中，抗泥劑通過與聚羧酸共同復配進行使用，其分子結構中含有吸附功能基團，并引入離子絡合劑、吸附劑等表面活性劑功能組分，使各組分性能疊加，目的是使粘土選擇性地優先吸附抗泥劑，從而減少對聚羧酸減水劑的吸附，屬于“犧牲劑”的設計思路，具有成本低廉、操作簡單、比例可調等優點，可針對不同的粘土類型；而抗泥型聚羧酸，可在聚羧酸分子結構上引入含磷或含氮基團，通過調整支化程度結構、分子量等，可減少粘土吸附，屬于“隔離”抗吸附的設計思路，目前這類產品合成反應條件復雜，成本高昂，并且對各種類型的粘土適應性有限，阻礙了其工業化推廣，但這種兼具減水、分散、對粘土“低敏感”等特點的抗泥型聚羧酸，是未來重要的技術發展方向。
盡管國內外研究機構開展了大量的針對泥對聚羧酸吸附問題的研究，各種抗泥劑的應用使聚羧酸混凝土的和易性、施工性能方面有所改善，但泥對混凝土的長期性能、強度的危害卻是無法避免的。因此，在《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52-2006標準表3.1.3和表3.1.5分別對天然砂、人工砂的含泥量、石粉含量進行了嚴格規定；在該標準表3.2.3對卵石、碎石的含泥量也有明確規定，這些規定主要是基于大量的混凝土試驗結果確定的。
因上述兩類產品尚未完全成熟和大面積工業化，在應用時會增加較多的混凝土成本，要控制混凝土成本又要能改善泥對聚羧酸減水劑的吸附問題，比較實際的措施主要有：
1、對砂石原材料進行嚴格檢驗，控制砂石含泥量，確保砂石含泥量在標準要求的范圍內。
2、調整混凝土配合比。砂中過0.315mm篩的細顆粒偏少，或人工砂的石粉含量偏低，混凝土出現泌水、離析、抓底現象時，需提高砂率，增加膠凝材料用量；砂石含泥量、石粉含量過高時，需降低砂率和人工砂的比例，提高外加劑摻量和用水量。
來源：科之杰，作者：鄒辰陽，如涉及作品內容、版權和其它問題，請及時聯系，我們將盡快處理。
