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減水劑表面活性及作用機理
來源:Ag亚游官网平台作者:Ag亚游官网平台發布于:2019-05-08文字:【大】 【中】 【小】

      摘要:減水劑分子吸附在水泥顆粒表面,阻止水泥顆粒聚集。其分散作用機理有靜電斥力作用、空間位阻作用、水化膜潤滑作用及引氣隔離“滾珠”作用。不同類的減水劑作用機理不同,其中被廣為接受的是靜電斥力作用和空間位阻作用。減水劑對水泥的作用影響混凝土減水作用、引氣性、凝結時間、坍落度和坍落度損失、強度、耐久性等性能。


      關鍵詞:分散作用機理;吸附;靜電斥力;空間位阻


一、引言

      減水劑是現代混凝土必不可少的組份之一,主要用來分散混凝土和砂漿中的水泥顆粒,減少用水量,提高混凝土的強度和耐久性。無論是結構簡單的木質素磺酸鹽、三聚氰胺甲醛縮合物和萘磺酸鹽甲醛縮合物等,還是結構多樣化的聚羧酸鹽,減水劑的結構性能關系與作用機理一直是研究的熱點。


二、減水劑的表面活性

      減水劑都是些表面活性物質,它們的減水機理都是表現在表面活性的作用。表面活性物質是分子中具有親水基團和憎水基團的有機化合物,加入水溶液后可以降低水的表面張力水氣界面)和界面張力(水固界面)。

      憎水基團一般是有機化合物的烴類,而親水基團一般是能離解出各種離子的鹽類,使親水基團帶負電,這是陰離子表面活性劑。還有陽離子表面活性劑(它的親水基團離解出負離子,使親水基團帶正電)、兩性表面活性劑(能離解出負離子和正離子,具有兩個親水基團)及非離子型表面活性劑(親水基團不離解出離子,但是具有極性基團,以極性基團吸附水分子,起親水基團的作用)疏水基團可以吸附在水泥顆粒表面,而親水基團提高水泥顆粒的親水性。減水劑的分散減水作用是由減水劑在水泥顆粒及其水化產物表面的吸附實現的。減水劑的吸附改變了水泥水分散體系固液界面的性質,使水泥顆粒之間的作用力發生變化,從而影響固體顆粒在液體中的分散性質、水化動力學以及水化產物的形態。減水劑分子結構不同,其吸附特性不同,對固液界面的影響也不同。


三、分散作用機理

      減水劑的分散作用機理有靜電斥力作用、空間位阻作用、化膜潤滑作用、引氣隔離“滾珠”作用。不同類的減水劑作用機理不同,其中被廣為接受的是靜電斥力作用和空間位阻作用。

1、靜電斥力作用

      新拌混凝土中摻入減水劑后,減水劑分子定向吸附在水泥顆粒表面,部分極性基團指向液相。由于親水極性基團的電離作用,使得水泥顆粒表面帶上相同的電荷,并且電荷量隨減水劑濃度增大而增大直至飽和,從而使水泥顆粒之間產生靜電斥力,使水泥顆粒絮凝結構解體,顆粒相互分散,釋放出包裹于絮團中的自由水,從而有效地增大拌合物的流動性。線型離子聚合物減水劑(如萘磺酸鹽甲醛縮合物、三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物)吸附在水泥顆粒表面,能顯著降低水泥顆粒的負電位(絕對值增大),因而其以靜電斥力為主分散水泥顆粒帶磺酸根的離子型聚合物電解質減水劑,靜電斥力作用較強,帶羧酸根離子的聚合物電解質減水劑,靜電斥力次之,帶羥基和醚基的非離子型表面活性劑減水劑,靜電斥力作用最小。

2、空間位阻作用

      聚合物減水劑吸附在水泥顆粒表面,則在水泥顆粒表面形成一層有一定厚度的聚合物分子吸附層。當水泥顆粒靠近,吸附層開始重疊,即在顆粒之間產生斥力作用,重疊越多,斥力越大。這種由于聚合物吸附層靠近重疊而產生的阻止水泥顆粒接近的機械分離作用力,稱之為空間位阻斥力。

      具有支鏈的共聚物高效減水劑(如交叉鏈聚丙烯酸、羧基丙烯酸與丙烯酸酯共聚物、含接枝聚環氧乙烷的聚丙烯酸共聚物等)吸附在水泥顆粒表面,雖然其使水泥顆粒的負電位降低較小,但是由于其主鏈與水泥顆粒表面相連,支鏈則延伸進入液相形成較厚的聚合物分子吸附層,從而具有較大的空間位阻斥力作用。氨基磺酸鹽高效減水劑結構的分支鏈多,而且在水泥顆粒上吸附呈環圈及尾狀吸附,因而空間位阻也較大。所以,在摻量較小的情況下便對水泥顆粒具有顯著的分散作用。

3、水化膜潤滑作用

      減水劑大分子含有大量極性基團,如木質素磺酸鹽含有磺酸基、羥基和醚基;萘磺酸鹽甲醛縮合物和三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物含有磺酸基;氨基磺酸鹽甲醛縮合物含有磺酸基和胺基;聚羧酸鹽減水劑含有羧基和醚基。這些極性基因具有較強的親水作用,特別是羥基、羧基和醚基等均可形成氫鍵,故其親水性更強。因此,減水劑分子吸附在水泥顆粒表面后,由于極性基的親水作用,可使水泥顆粒表面形成一層具有一定機械強度的溶劑化水膜。水化膜可破壞水泥顆粒的絮凝結構,釋放包裹于其中的拌合水,使水泥顆粒充分分散,并提高了水泥顆粒表面的潤濕性,同時對水泥顆粒及骨料顆粒的相對運動具有潤滑作用,所以在宏觀上表現為新拌混凝土流動性增大。

4、引氣隔離“滾珠作用”

      木質素磺酸鹽、聚羧酸系及氨基磺酸鹽系等減水劑,由于能降低液氣界面張力,故具有一定的引氣作用。這些減水劑摻入混凝土拌合物中,不但能吸附在固液界面上,而且能吸附在液氣界面上,使混凝土拌合物中易于形成許多微小氣泡。減水劑分子定向排列在氣泡的液氣界面上,使氣泡表面形成一層水化膜,同時帶上與水泥顆粒相同的電荷。氣泡與水泡之間,氣泡與水泥顆粒之間均產生靜電斥力,對水泥顆粒產生隔離作用,從而阻止水泥顆粒凝聚。而且氣泡的滾珠和浮托作用,也有助于新拌混凝土中水泥顆粒、骨料顆粒之間的相對滑動。因此,減水劑所具有的引氣隔離“滾珠”作用可以改善混凝土拌合物的和易性。


四、混凝土性能

      減水劑影響混凝土減水作用、引氣性、凝結時間、坍落度和坍落度損失、強度、耐久性等性能。

1、凝結時間

      高效減水劑對混凝土凝結時間的影響決定于高效減水劑的化學結構,萘系和三聚氰胺系對混凝土沒有緩凝作用,甚至使凝結時間稍稍提前,但氨基磺酸鹽和聚羧酸鹽類則是緩凝性髙效減水劑。研究發現,初凝和終凝與聚羧酸系減水劑含量線性相關。減水劑影響凝結的開始,水化開始之后不再受減水劑影響。聚羧酸系減水劑中羥基與水泥中的形成不穩定絡合物,從而抑制水化初期液相中的濃度,產生了緩凝作用。隨著水化過程的進行,這種不穩定絡合物逐漸分解,因此水化繼續正常進行,對終凝影響減弱。

2、強度

      在混凝土中加入高效減水劑會使混凝土強度顯著提高。在水化的早期,由于減水劑的高度分散作用增加了水泥與水的接觸面積,提高了水化程度,單位體積內的水化產物增加,使早期的水化加快,從宏觀上看早期強度有所提高。另一方面在水化過程中減水劑又對水化速度略有延緩,這種作用在早期由于分散作用的影響尚不明顯,但在中后期卻起了良好作用,它抑制了凝膠體向結晶體的轉變,因而有利于結晶生長,使長纖維狀結晶增加,這種長纖維的水化硅酸鈣結晶,其表面能大,接觸點多,互相交織在一起并形成致密的空間網絡結構,水泥石內部的孔隙被分割填充變得細小,這就大大提高了水泥石的強度。與萘系減水劑相比,聚羧酸減水劑能有效抑制早期水泥鋁酸三鈣、硅酸三鈣的水化,但能充分發揮水泥的后期水化,有利于混凝土后期強度的發展。

3、坍落度損失

      摻入減水劑使水泥顆粒表面的潤濕作用加強,等含結晶水的水化產物增加,整個體系的固液相比例增大,自由水含量相對變小,凝聚趨勢加快。隨著水化的進行,吸附在水泥顆粒表面的減水劑被生成的水化產物覆蓋雖然漿體中的部分高效減水劑分子也會被吸附在水泥水化產物膠體層表面,但是漿體中剩余的減水劑數量大大減少,對水泥顆粒的分散作用減弱,水泥顆粒開始出現絮凝現象,漿體粘度增大,混凝土發生了坍落度經時損失。另外,引氣型減水劑會引入一定量的氣泡,混凝土運輸及靜置過程中會由氣體溢出,起到滾珠作用的微氣泡減少,混凝土發生坍落度經時損失。氨基磺酸鹽高效減水劑和聚羧酸系髙性能減水劑支鏈較多,有低的電位和高的空間斥力,因而吸附后對水泥分散性能很好,并能保持分散系統的穩定性。Yamada等在研究了分子質量相近、支鏈長度不同的聚合物對水泥等溫吸附后指出,支鏈過長可能導致已分散粒子間表面支鏈的相互纏繞,反而造成粒子的凝聚,對粒子分散穩定性不佳。

4、耐久性

     高效減水劑的分散作用使混凝土拌合用水和水膠比大幅度減少。拌合用水的減少使硬化混凝土的孔隙率降低,孔徑分布向小孔方向移動,增加了混凝土的密實性。實驗數據顯示摻加脂肪族高效減水劑的混凝土孔徑由減小至以下。另一方面拌合用水量的降低減少了水泥漿中多余水分蒸發和泌水后留下的毛細孔道,從而減少在混凝土內的傳輸速度,有利于提高混凝土抗氯離子滲透性能。


五、結論

      混凝土減水劑的機理是個頗為復雜的問題,涉及到官能團、結構、表面物理化學性質等方面。微觀上,減水劑的表面活性改變了水泥水分散體系固液界面的性質,使水泥顆粒之間的作用力發生變化,從而影響固體顆粒在液體中的分散性質、水化動力學以及水化產物的形態。在宏觀上表現為對混凝土減水作用、凝結時間、坍落度和坍落度損失、強度、耐久性等性能的影響。因此,加深微觀機理研究,才能更深的研究結構與性能的關系,指導減水劑的合成與應用。

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