英语原文共 10 页
聚合硫酸铁改善聚羧酸类增塑剂与劣质蒙脱土骨料的相容性
Hongbo Tan, Benqing Gu, Yulin Guo, Baoguo Ma, Jian Huang, Jun Ren, Fubing Zou , Yanfei Guo
Abstract: Clay minerals are ubiquitous in nature and are, therefore, difficult to be avoided in mined aggregates.Since aggregate occupies more than 70% weight ratio of the concrete, it is easy to bring more than 0.5 wt% montmorillonite (Mt) in concrete. It is this small dosage of Mt that can result in fast loss of fluidity of fresh concrete, being referred to as poor clay tolerance, which seriously restricts the application of polycarboxylate superplasticizer (PCE) in real concrete. In this study, an attempt to improve the clay tolerance by incorporating polymeric ferric sulfate (PFS) has been made. The effect of PFS on adsorption behavior and dispersion of PCE was investigated, and the mechanism behind was revealed with X-ray diffractometry, Fourier-transform infrared spectroscopy and atomic force microscopy. The results of fluidity indicate that the presence of PFS in PCE system can obviously improve the 60 min fluidity, showing the improvement in clay tolerance. The results of adsorption illustrate that the presence of PFS can affect the adsorption behavior of PCE, with an increase in adsorption amount on cement particles but a decline on Mt particles. The results of XRD and FTIR demonstrate that in Mt suspension, PFS can increase the surficial adsorption of PCE but completely hinder the intercalation of PCE to avoid the interlayer adsorption,resulting in decline in total adsorption amount. The main reason for this is due to the formation of layeron the surface of Mt particles, and strong evidence for this was obtained with AFM. It is this layer that hinders intercalation of PCE over time, which is responsible for the improvement in clay tolerance.Such results suggest an effective method to hinder the intercalation of PCE into Mt layer, and the findingswould be expected to provide guidance on improvement in poor clay tolerance of PCE in practicalengineering.
Key words：Polymeric ferric sulfate；Polycarboxylate superplasticizer；Clay tolerance Montmorillonite；Interlayer spacing Intercalation
1 简介
一般情况下，骨料占混凝土总重的70%以上，粘土矿物在自然界中普遍存在，在开采集料时很难避免。在这些粘土矿物中，蒙脱土(Mt)一直被认为是对聚羧酸减水剂最有害的粘土矿物。据报道，超过0.5%的Mt(相对于水泥的重量)会导致严重的流动性损失，混凝土流动性将在很短的时间内丧失[5-7]。这种现象是在文献中被称为粘土容忍度差，并被广泛接受。这是由于蒙脱土中被插入的主链PCE[8-11]的链(即聚乙烯氧化物，PEO)，使聚羧酸减水剂主要色散力(即位阻)丧失。
粘土容忍度的提高可以通过以下途径来实现：PCE分子结构的修饰，据报道，环糊精用作PCE长侧链上的基团时，PCE会完全阻碍这种插入，因为环糊精在侧链中的几何尺寸太大，无法进入蒙脱土层间域[12]。也可以用甲基丙烯酸取代PEO侧链，主要原因是酯侧链不能插入蒙脱土层间域[13]。然而，修饰分子结构上对大多数聚羧酸减水剂来说似乎并不那么容易。事实上，一些化学物质也会阻碍PEO插入蒙脱土层间，这更容易被接受和可行。据报道，在油井工业中，加入抑制剂可以显著抑制粘土矿物膨胀，阻碍夹层的形成。另一个螺栓,结果表明，聚乙二醇作为牺牲剂是一种较好的选择，以阻碍蒙脱土插层吸附 [15,16]，从而改善了粘土耐受性。这些研究结果为如何进一步完善我国的环境保护体系提供了指导PCE粘土耐受性差。
聚合硫酸铁(PFS)是一种无机高分子材料，广泛应用于水处理行业。其优良的净水性能是因为PFS可以吸附到固体颗粒表面形成沉淀。基于此，在混凝土体系中，很可能出现蒙脱土颗粒被PFS吸附包裹并结块，从而影响PCE的插层吸附。在这种情况下，PCE对Mt颗粒的吸附作用将受到阻碍，粘土容忍度将会提高。因此，本研究的目的是探究PFS对PCE粘土容忍度的影响。用总有机碳分析仪（TOC）测定PCE的含量，用X射线衍射仪研究了PFS对插层PCE的影响，进行了傅里叶变换红外光谱表征。用原子力显微镜表征了PFS与Mt之间的相互作用Zeta电位、激光粒度分析仪。最后,提出了一个模型来说明其机理。这些结果表明，该方法是一种行之有效的方法对于提高PCE的粘土容忍度。
2 实验
2.1 材料
2.1.1 水泥和蒙脱石
按普通硅酸盐水泥的要求，采用GB175-2007中国标准[17]。Mt，其粒径小于200目。X射线荧光(Axios advanced，荷兰)揭示了水泥和Mt化学组成,如表1所示。
图1 PCE结构式
表1 水泥和Mt的化学成分
|
Loss |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
SO3 |
CaO |
MgO |
|
|
Cement (wt%) |
3.72 |
22.79 |
7.03 |
3.14 |
3.76 |
55.05 |
2.90 |
|
Mt (wt%) |
9.10 |
64.80 |
16.53 |
2.58 |
0.02 |
2.03 |
4.04 |
|
表2 PCE的基本性能 |
|||||||
|
Cl (%) |
Alkali content (%) |
Water reducing ratio (%) |
pH value |
||||
|
0.03 |
3.75 |
30.1 |
7.2 |
||||
2.1.2 化学试剂
PCE由公司提供，基本性能和分子结构如表2、图1所示。在实验中PCE的添加量记为固体含量。本研究使用了一种商用PFS。化学-化学成分见表3，分子结构见如图2所示。PFS的添加量实验记录为固体含量。
表3 PFS的化学成分
|
Fe wt% |
Arsenic wt% |
Lead wt% |
Insoluble% |
|
|
PFS |
18.5 |
0.0008 |
0.0015 |
0.50 |
图2 PFS的分子结构
2.2 测试方法
2.2.1 水泥和水泥-蒙脱土净浆流动度实验
不同剂量的PCE (0.12-0.17 wt%)和PFS (0.0-0.20 wt%)事先与水混合。按照中国标准GB 8076-2008[18]，制备了水泥- 蒙脱土净浆，水/水泥重量比为0.29:1(水:87克；水泥:297.0 g； Mt: 3.0 g)。流锥(高度60mm，顶部直径36mm，底部直径60mm)填满净浆，放在玻璃板上。将圆锥体垂直移除后，测量试样的最大直径，再垂直测一次，这两个值的平均值被定义为流动度。PCE的添加量一直调整到初始值流动度值在(215plusmn;5 mm)范围内，得到了相同的初始流动度。60分钟后，再次测试净浆流动度，初始流动性与60min流动性之间的间隙定义为流动度损失。
采用上述相同方法，将PCE-PFS (PFS:质量分数0 ~ 0.20 wt%;制备了0.06 wt%水泥水灰比为0.29:1(水:87 g;水泥:与pc -PFS (PFS: 0-0.20 wt%)水泥- Mt膏体水泥;PCE:质量分数为0.10%)重量比0.29:1(水:87克;水泥混合物:297.0 g)用转子对浆料的流变学进行了评价流变仪(R/S-SST，转子:CC45，美国)。流变仪的杯是否填满了水泥膏体和测量顺序进行了。为了给水泥膏体带来参考在结构状态下，首先进行预剪切，剪切速率为120 s1持续30秒。然后直接施加增大的剪切速率从0到100 s1在120秒内，屈服应力和塑性流体模型计算，所有操作都在25°C下进行。
2.2.2 吸附量
用总有机碳分析仪(TOC, Liquid TOC II，德国)测定PCE溶液 (2.0 g/L, 4.0 g/L, 6.0 g/L,8.0g/L,10.0 g/L)的碳含量，结果如图3所示。在此基础上，根据TOC结果可以得到溶液中PCE的浓度。水泥(1.0 g)与PCE- PFS溶液(20 mL)混合;四氯乙烯1.0 g / L;PFS:( 0 - 6.0 g / L);将1.0gMt与PCE-PFS溶液混合 (20毫升;PCE 10.0 g / L;PFS: 0 - 6.0 g / L)。搅拌5分钟，转速3000 r/min，离心4 min上清液的碳含量。根据结果（如图3所示）得到了PCE的残余浓度。PCE (mg/g-Mt或mg/g-水泥)的吸附量如下:
其中C0为吸附前PCE的初始浓度(g/L)；C为吸附后的残余浓度(g/L)；V是体积(mL);m是水泥的质量，重复测量三次取平均。操作均25°C进行。
图3 不同浓度PCE含碳量
2.2.3 Mt样品表征
Mt悬浮液(5.0 g Mt溶于50.0 g去离子水，pH = 12)，悬浮液与去离子水混合(50.0g)， PFS溶液(50.0 g, 4.0 wt%)， PCE溶液(50.0 g, 4.0 wt%)，搅拌10分钟后，过滤悬浮液固体。在105℃左右的真空干燥器中干燥。研磨成粉末，其粒度小于2
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