相克缘于相吸——当聚羧酸遇到泥

在混凝土界，原材料砂石中的含泥量对聚羧酸减水剂工作性能的不利影响已经为大家所公认，这方面国内外的专家已进行了大量的研究，并取得了较一致的结论：泥土中粘土组分的吸附作用是导致聚羧酸减水剂减水效果下降的主要原因。

国外对该问题的研究主要是针对层状结构的粘土对聚羧酸减水剂的吸附作用及作用机制进行了分析。L.Lei和Adarashi等研究发现，聚醚型聚羧酸减水剂的支链结构能进入粘土的层状结构而发生吸附作用。Yamada、Ferrari和Winnefeld等人也有类似的研究，均发现高分子量的聚合物能优先吸附在粘土颗粒上。

那泥是什么呢？泥是由多种粘土矿物及有机质等以不同比例混合而成的混合物。最常见的粘土矿物主要有：蒙脱石、伊利石、高岭石（著名的观音土），其它还有蛭石、地开石、珍珠陶土、海泡石、绿泥石、凹凸棒石等粘土矿物。

蒙脱石是一种2:1型的层状硅酸盐，属于单斜晶系。蒙脱石的单元晶层之间靠氧原子联接，联接力较弱，因此其层间距较大，一般大多维持在0.9~2.1nm之间。同时，蒙脱石的晶层间还具有很强的吸水特性，吸水之后体积发生膨胀。

伊利石和蒙脱石的结构基本相似，同属于2:1型的铝硅酸盐矿物，是单斜晶系矿物。伊利石的晶层之间靠氧的分子力和钾离子联接，由于层间钾离子半径的大小与晶层面上氧原子形成的六边网格半径相当，因而伊利石的晶层间结合牢固，不易发生吸水膨胀。

高岭石是1:1的层状硅酸盐类，属于三斜晶系。高岭石的单元晶层一面是硅氧四面体的O群，另一面是铝氧八面体的OH群，晶层通过O和OH形成的氢键以及范德华力紧密连接，作用力较强，所以通常情况下高岭石的层间距较小，一般小于0.3nm，同时也由于氢键的联接力较强，所以高岭石的层间完全没有吸水特性，遇水不会发生吸水膨胀。

从蒙脱石、伊利石、高岭石三种常见粘土矿物的晶体构造特点可以看出，不同的粘土矿物其晶体构造并不一致。与高岭石相比，层状结构的蒙脱石、伊利石更容易对聚羧酸减水剂产生吸附。那这种吸附是如何发生的呢？

“所谓不是冤家不聚头”，泥对聚羧酸减水剂“过敏”，二者“相克”，正是缘于“相吸”。原来，当聚羧酸减水剂加入到混凝土体系中后，水泥颗粒表面的Zeta电位几乎无变化，水泥颗粒之间的静电斥力作用很弱，聚羧酸减水剂对于水泥颗粒的分散作用完全依赖于聚羧酸分子结构中较长的聚醚侧链。当聚羧酸减水剂吸附于水泥颗粒上时，其聚醚（PEO）长侧链侧链能形成立体交叉，阻碍水泥颗粒的相互接近，形成空间阻隔，从而达到减水、分散的功能。当混凝土体系中含有大量层状结构的泥时，因泥的晶体间距较大，使具有梳状支化结构的聚羧酸分子插层进入泥的层间结构中，导致聚羧酸无法形成空间阻隔，无法阻止水泥颗粒相互接近，表现出来的表观现象就是水泥分散效果急剧下降，需要较大幅度地提高聚羧酸减水剂掺量才能获得相同的流动度。

萘系减水剂相对于聚羧酸而言，对泥不会那么敏感。这是因为萘系减水剂与聚羧酸减水剂的减水机理不同。聚羧酸减水剂减水机理主要为空间位阻效应，而萘系减水剂减水机理主要为静电斥力效应。当萘系减水剂加入到混凝土体系中后，会极大地增大水泥颗粒表面的Zeta电位（一般在-30mv左右），使得水泥颗粒间（包括粘土颗粒）呈现相互排斥的趋势，而Zeta电位不会因为减水剂分子吸附到黏土颗粒表面或层间而大幅度降低。

蒙脱石颗粒因具有层间结构，会优先于水泥颗粒吸附减水剂分子。

针对以上机理，近年来国内外专家对如何解决粘土吸附聚羧酸问题进行了广泛、深入的探索，科之杰集团近年来也开展了许多富有成效的研究。

解决泥粘土吸附聚羧酸的问题，通常采取的技术途径主要有：外掺抗泥剂或使用抗泥型聚羧酸。

其中，抗泥剂通过与聚羧酸共同复配进行使用，其分子结构中含有吸附功能基团，并引入离子络合剂、吸附剂等表面活性剂功能组分，使各组分性能叠加，目的是使粘土选择性地优先吸附抗泥剂，从而减少对聚羧酸减水剂的吸附，属于“牺牲剂”的设计思路，具有成本低廉、操作简单、比例可调等优点，可针对不同的粘土类型；而抗泥型聚羧酸，可在聚羧酸分子结构上引入含磷或含氮基团，通过调整支化程度结构、分子量等，可减少粘土吸附，属于“隔离”抗吸附的设计思路，目前这类产品合成反应条件复杂，成本高昂，并且对各种类型的粘土适应性有限，阻碍了其工业化推广，但这种兼具减水、分散、对粘土“低敏感”等特点的抗泥型聚羧酸，是未来重要的技术发展方向。

尽管国内外研究机构开展了大量的针对泥对聚羧酸吸附问题的研究，各种抗泥剂的应用使聚羧酸混凝土的和易性、施工性能方面有所改善，但泥对混凝土的长期性能、强度的危害却是无法避免的。因此，在《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006标准表3.1.3和表3.1.5分别对天然砂、人工砂的含泥量、石粉含量进行了严格规定；在该标准表3.2.3对卵石、碎石的含泥量也有明确规定，这些规定主要是基于大量的混凝土试验结果确定的。

因上述两类产品尚未完全成熟和大面积工业化，在应用时会增加较多的混凝土成本，要控制混凝土成本又要能改善泥对聚羧酸减水剂的吸附问题，比较实际的措施主要有：

1、对砂石原材料进行严格检验，控制砂石含泥量，确保砂石含泥量在标准要求的范围内。

2、调整混凝土配合比。砂中过0.315mm筛的细颗粒偏少，或人工砂的石粉含量偏低，混凝土出现泌水、离析、抓底现象时，需提高砂率，增加胶凝材料用量；砂石含泥量、石粉含量过高时，需降低砂率和人工砂的比例，提高外加剂掺量和用水量。

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