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SRA減縮劑濃度對溶液表面張力、砂漿凝結(jié)時間、水泥水化的影響(二)
來源:材料導(dǎo)報 瀏覽 129 次 發(fā)布時間:2024-11-27
2結(jié)果與討論
2.1減縮劑對砂漿凝結(jié)時間及水泥凈漿水化熱的影響
圖2a顯示了四組砂漿的凝結(jié)時間,對比A、B組可以看出,加入SRA使得砂漿的終凝時間延遲了1.7h.然而,對比C、D組可以發(fā)現(xiàn),推遲SRA的加入時間使得終凝時間僅僅延遲了0.3h.此外,砂漿的重新拌合會使得早期水化產(chǎn)物部分破裂,C、D組的終凝時間被進(jìn)一步延遲。在實際工程施工時,SRA通常會直接加入到攪拌機中,在由工廠運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的過程中與水泥不斷混合。由實驗結(jié)果來看,若是在攪拌機中預(yù)先加入部分水?dāng)嚢柽m當(dāng)時間,在確保后續(xù)加入的SRA基本可以分布均勻的基礎(chǔ)上再加入余下水和SRA的混合液,在路途中完成第二階段的攪拌可以降低強度發(fā)展滯后的程度。
圖2減縮劑對(a)砂漿的凝結(jié)時間和(b)水泥凈漿水化放熱的影響
圖2b顯示了A、B組漿體水化熱在96h內(nèi)的變化。摻入SRA的B組水化放熱峰值出現(xiàn)延遲,而且峰面積變寬,表明SRA會使得水泥水化的誘導(dǎo)期被延長,水化放熱的速率也降低,累積放熱量降低了19.8%.關(guān)于SRA降低水化放熱的研究已經(jīng)有很多。張文艷等【7]認(rèn)為SRA會降低基體孔隙溶液的堿性,阻礙產(chǎn)物的生成,而且部分SRA會在膠凝材料表面形成分子膜,阻礙其與水分接觸進(jìn)行水化。Lura等【9]認(rèn)為SRA會使基體孔隙溶液中的堿離子濃度和pH值降低,抑制基體中Ca(OH)2晶體的生成,從而降低基體的水化放熱速率和峰值。SRA對基體孔隙溶液中的離子濃度和表面張力會產(chǎn)生影響已基本達(dá)成共識,在后面會進(jìn)行詳細(xì)討論。
2.2減縮劑濃度對混合溶液表面張力的影響
SRA在去離子水和合成孔隙溶液中的表面張力測試結(jié)果如圖3所示,可以看出溶液的表面張力與SRA濃度呈雙線性關(guān)系(SRA濃度以對數(shù)表示)。當(dāng)SRA濃度較低時,隨著SRA濃度的增加,混合溶液的表面張力迅速降低。然而,在超過某一閾值后,SRA濃度的增加不再顯著降低表面張力。這一閾值在概念上類似于臨界膠束濃度(CMC),它對應(yīng)于氣液界面的飽和度。此時,表面分子受到的氣相分子拉力和液相拉入體相的作用力達(dá)到平衡,表面分子的勢能與體相內(nèi)部分子勢能相差不大,在沒有外力的情況下液體表面張力達(dá)到了最大值。
圖3減縮劑濃度對溶液表面張力的影響
此外,液體中油滴的形成會導(dǎo)致表面活性劑分子被油水界面所吸附。SRA(含聚醚合成油)濃度的增加引入了更多的油滴,油水界面會與氣液界面競爭吸附表面活性劑分子。在超過閾值時,SRA濃度增加并不會顯著增加氣液界面上吸附的表面活性劑濃度。因此,SRA濃度超過閾值后,混合溶液的表面張力不會進(jìn)一步降低,這是界面飽和、油水界面競爭吸附SRA的雙重作用導(dǎo)致的。
由圖3還可知,SRA在去離子水中混合時,臨界SRA濃度約為11.2%,當(dāng)SRA在合成孔溶液中混合時,臨界SRA濃度約為7.3%.這意味著溶液中的離子會使得臨界SRA濃度降低。對于混凝土,實際的內(nèi)部離子濃度更高,而臨界SRA濃度取決于孔隙溶液的離子組成,因此,實際的臨界SRA濃度更低。
在實際應(yīng)用中加入SRA是為了抑制混凝土的收縮,這是因為SRA可以使孔隙溶液張力降低進(jìn)而減緩孔隙負(fù)壓的發(fā)展,還可以使固相表面吸附的水層厚度變薄,維持更高的內(nèi)部相對濕度。本節(jié)討論的實驗結(jié)果具有一定的現(xiàn)實意義,即混凝土中摻入低濃度的SRA具有顯著的減縮效果,而SRA濃度達(dá)到閾值時效果可能不再顯著,這是因為超過臨界SRA濃度后,溶液的表面張力幾乎沒有變化。此外,超過臨界濃度的SRA與混凝土中的孔隙溶液并不相容,攪拌完成后不久就會分離,從而延長混凝土的凝結(jié)時間。
2.3減縮劑對砂漿孔隙溶液中離子濃度的影響
研究表明,SRA使得孔溶液極性降低,抑制了Na+、K+的溶出,降低了溶液堿度,使孔隙溶液中的OH-、SO42-濃度也有所降低,從而延緩了水泥的水化進(jìn)程。由A、B組的砂漿中提取孔隙溶液測試離子濃度得到圖4,可以發(fā)現(xiàn)相較于A組,加入SRA的B組的離子濃度和上述研究的結(jié)論基本一致。
圖4減縮劑對孔隙溶液(a)陽離子和(b)陰離子濃度的影響
這里著重討論OH-、SO42-濃度的變化。SO42-由石膏和堿性硫酸鹽的溶解產(chǎn)生,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,溶液中的硫酸鹽與鋁酸鹽水化產(chǎn)生單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)和高硫型水化硫鋁酸鈣(AFt)而被消耗。然而,只要固體石膏還存在,消耗的硫酸鹽就會被溶解到孔隙溶液中的石膏所取代,因此,從圖4b中可以觀察到前14h內(nèi)SO42-濃度保持相對恒定。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,固體石膏的量不再充足,其消耗量與SO42-濃度的逐漸降低趨勢一致。為了保持孔隙溶液的電中性,SO42-被從硅酸鈣、氫氧化鈣固相中釋放的OH-取代。因此,14h后SO42-濃度的降低與OH-濃度的增加同步進(jìn)行,而且在33h以后,孔隙溶液中基本上是堿性氫氧化物(如KOH、NaOH)的溶液。
從圖4b中還可以看出,A組中SO42-的初始濃度更高,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,SO42-被OH-取代,A組中置換出的OH-更多,OH-濃度也更高。A組中SO42-的初始濃度更高可能是因為SRA降低了孔隙溶液的極性,使得硫酸鹽溶解和電離到這種“低極性”溶劑中的能力降低。驗證這一假設(shè)需要研究硫酸鹽在SRA中的溶解情況,這里以K2SO4為例測試其最大溶解度,在10g去離子水中以0.1g每次加入K2SO4粉末。
表5列出了K2SO4的最大溶解度。結(jié)果表明,SRA確實會降低K2SO4的最大溶解度。但是,對比圖5可以發(fā)現(xiàn),漿體孔溶液中的K+和SO42-的濃度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到K2SO4的最大溶解度。因此,并不能依據(jù)SRA會降低K2SO4最大溶解度的結(jié)果判定這是B組溶液中SO42-濃度低的原因,還需要研究K2SO4在SRA中的溶解速度。