高效减水剂的减水机理研究

第35卷第3期黑　龙　江　水　专　学　报

Vol.35,No.32008年9月

Journal of Heilongjiang Hydraulic Engineering

Sep.,2008

文章编号:100029833(2008)0320042202

高效减水剂的减水机理研究

郎黎明,关守政

(黑龙江省龙头桥水库管理处,黑龙江宝清155600)

摘　要:基于高效减水剂的化学成分、结构与构造特征,研究了高效减水剂的表面活性、电位与吸附层,分析了高效减水剂的减水

机理。

关键词:高效减水剂;表面活性;电位;吸附层中图分类号:TU528.042.2 文献标识码:A

St udy on t he Mechanism of High Range Water 2reducing Agent

LANG li 2ming ,GUAN Shou 2zheng

(Heilongjiang Longtouqiao Reservoir Management Depart ment ,Baoqing ,155600,China )

Abstract :Based on chemical compo nent s ,st rut ure ,formation of t he high range water reducing agent ,t he surfaceactivity ,potential ang adsorption layer of high range water reducing agent are st udied ,t he mecha 2nism of imp roving met hod of high range water reducing agent is analyzed.

K ey w ords :high range water reducing agent ;surfaceactivity ;potential ;adsorption layer

收稿日期:2008206225

作者简介:郎黎明(19622),男,黑龙江牡丹江人,高级工程师,研究方向为水利工程建筑。

现代质量优良的高效减水剂的减水率可以达到25%～35%[1],使得混凝土的水灰比(水胶比)可以大幅降低到0.20～0.30,这样,在混凝土混合料大幅提高流动性和改善混合料施工性能的同时,又可大幅提高混凝土的密实性和强度[2]。因此,高效减水剂的发明与发展带来了混凝土技术的巨大进步。在高强及超高强高性能混凝土中除减水剂以外,还要掺入超细活性矿物掺料,它们的比表面积极大,如果没有高效减水的参与共同作用,这些超细掺料的掺人,要吸附大量的水分。在同样的低用水量下,拌合物将变成极为干涩的颗粒状堆积物,掺比不掺更遭。相反,在有高效减水剂共同作用下,这些超细矿物掺料还能促进混合料流动性的提高[3]。由此可见高效减水剂在现代高强及超高强高性能混凝土工艺中所起的主导作用。1　减水剂的表面活性

减水剂都是些表面活性物质,它们的减水机理都是表现在表面活性的作用。表面活性物质是分子中具有亲水基团和憎水基团的有机化合物,加入水溶液后,可以降低水的表面张力(水—气界面)和界

面张力(水—固界面)[4]。

表面活性物质的憎水基团一般是有机化合物的烃类[5],而亲水基团一般是能离解出各种离子的盐类,如R -SO 3Na →R -SO 3+Na +,使亲水基团带负电,这是阴离子表面活性剂。此外,尚有阳离子表面活性剂(它的亲水基团离解出负离子,使亲水基团带正电),两性表面活性剂能离解出负离子和正离子,具有两个亲水基团及非离型表面活性剂(亲水基团不离解出离子,但是具有极性基团,如O H -,以极性基团吸附水分子,起亲水基团的作用)[6]。

水泥加水后,水泥的表面被润湿,润湿愈好,则在具有同样工作性(流动性)的情况下,所需要的水量就愈少。

2　减水剂的减水机理

液体在固体表面的润湿度以润湿角θ表示,见图1

。

图1　润湿角与表面张力

Fig.1　Wetting angle and surface tensions

由图1可见,在水泥颗粒固相表面上受着3个

相界面上的3种界面张力,即σ1为气相与液相的界

面张力;σi 为液相与固相之间的界面张力;σs 为气相

与固相之间的界面张力。则润湿角之临界值为

co s

θ=σs -σi σ1

由上式可见,σi 及σ1减小,cos θ值增大,θ变小,润湿也愈好,加入减水剂后,降低了水的界面张力以

及水与水泥颗粒之间的界面张力,使水泥颗粒易于润湿,因而用水量相应减少。

图2　水泥絮凝结构

Fig.2　Cement flocculation

structure

此外,在水泥拌水后,还将产生絮凝结构(图2),这种絮凝结构中包含着大量的游离水,这种结构的产生是由于颗粒的溶剂化水膜的缔合作用,以及由于水泥矿物水化后因为带电荷不同而产生的电性相吸。由于絮凝结构将大量游离水束缚,因而

降低了混合料的工作性能。

在无减水剂的新拌混凝土

中,为了增加混合料的流动性,办法就是进一步增加用水量。当然这就导致了混凝土强度、耐久性及其它

一些性能指标的降低与恶化。如果能将絮凝结构中束缚的游离水分释放出来,变成自由水,混合料的工作性能可在不增加用水量的情况下大大提高。减水剂就能起到这样的作用。

当混合料掺有减水剂时,减水剂的憎水基团定向吸附在水泥粒子的表面上,而亲水基团则浸入水溶液中,组成减水剂的吸附膜。由于这种定向吸附,使水泥粒子的表面都带上相同的电荷,在电性相斥的作用下,水泥粒子即分散开来(图3);其次,减水剂被吸附后,由于极性水分子又吸附在亲水基团表面,使水泥粒子周围的溶剂化层增厚,这样也就增加了粒子之间的滑动能力。最后,由于水泥粒子的分开及滑动,使水泥粒子之间的絮凝结构无法形成,或已形成的絮凝结构被分散和破坏,这样,被束缚的游离水即被释放出来,从而大大提高了混合料的流动性。或者说,在保持混合料流动性相同的情况下,由于减水剂的掺入,混凝土的用水量可以显著降低,这就是减水剂能降低混凝土用水量的机理。

水泥加水后,水泥颗粒表面的如C 3A ,C 3S 等被水溶解,并向水溶液中扩散,其中的阳离子如Ca 2+

比SiO 2-3及AlO 3-3

等阴离子扩散得更快,因而在水泥颗料表面的阴离子浓度高于阳离子浓度,形成负电层,而扩散的Ca 2+和其它阳离子再吸附在水泥表

面形成吸附层,吸附层的厚度为分子厚度δ。此外

,

图3　减水剂的作用机理图

Fig.3　Mechanism of high range water reducing agent

水泥粒子表面带电离子既受到吸附作用,又具有一

定的热运动向液相扩散,扩散分布的离子层称为扩散层,这样,吸附层和扩散层即称为双电层。吸附层与核心粒子一起形成胶团,可以一起移动。吸附层与扩散层之间存在电位,称为电动电位,即ξ电位,见图4。图4中E 为热力学电位,与ξ电位无关

。

图4　扩散双电层

Fig.4　Diffusion electric double layer

E 和ξ的大小与溶液中的离子浓度相关,随着

水泥水化的进行,吸附层中正离子增加,扩散层中的

正离子减少,扩散层减小;当正离子数量增加到使扩散层厚度为零时,吸附层中的正离子完全中和了胶团表面的负电荷,这时ξ电位为零(图5),水泥浆不再具有流动性

。

图5　

ξ电位的下降Fig.5　Decrease of ξpotential

3　结　论

高效减水剂均是阴离表面活性剂,在水泥中掺

入这些减水剂以后,在水溶液中离解的阴离子进入吸附层,增加了吸附层中阴离子浓度,提高了ξ电位,增大了扩散双电层的厚度,使水泥浆的流动性提高,这是减水机理的又一解释。

(下转第59页)

3

4第3期 郎黎明,等.高效减水剂的减水机理研究