“水泥-水-高效减水剂”系统的界面化学现象与流变性能

摘要

混凝土外加剂已经成为现代混凝土材料的基本组份，正在建筑工程、水利水电、道路桥梁、地下结构、石油钻井及海工结构等中获得越来越广泛的应用。高效减水剂是混凝土外加剂中最重要的化学外加剂，其生产和应用技术水平很大程度上决定着当今混凝土材料生产技术和施工应用水平。在混凝土高性能化和功能化发展进程中，以高效减水剂为代表的化学外加剂所起的作用是关键性的。高效减水剂也是制备高性能混凝土和其它先进水泥基复合材料的关键材料和重要技术手段之一。但长期以来，混凝土外加剂在水泥混凝土行业一直作为一种技术秘密或技术产品在使用，因此大量的研究工作都集中在外加剂的制备方法、生产技术和应用技术的研究上，而对水泥与外加剂相互作用的基本原理、界面化学现象和作用过程等基础研究却重视不够。其结果是关于高效减水剂的基础理论研究远远不能满足混凝土生产实践的需求，外加剂的应用更多地是靠经验而不是理论指导。本文选择“水泥—水—高效减水剂”系统的界面化学现象和流变特征作为研究课题，旨在通过深入系统地研究水泥与高效减水剂在水介质中的一系列界面化学现象及其影响规律，利用胶体化学、界面化学、水泥化学和高分子化学的相关基础理论，分析水泥与高效减水剂的相互作用机理，确定系统中界面化学现象、系统微观结构和流变特性的关系，指导水泥、混凝土及外加剂的生产实践。 试验选用具有代表性的四种高效减水剂及水泥单矿物和不同组成的水泥，在对不同类型的高效减水剂的分子量、分子结构及性能测定分析的基础上，首先研究了四种高效减水剂在四种水泥单矿物上的本征吸附特性和单矿物在水介质中的动电电位。在试验室设计和烧制了不同矿物组成的水泥，研究了水泥矿物组成对高效减水剂在水泥颗粒上的吸附量、动电电位的影响规律，并探讨了高效减水剂的吸附量与动电电位和水泥浆流动性关系。利用ESEM研究了不同“水泥—水—高效减水剂”系统的早期微观结构和流变特性，进而分析了“水泥—水—高效减水剂”系统中的粒子表面作用力的类型及其影响因素，根据试验测定的四种高效减水剂的吸附量和颗粒表面电位数据，计算了四种高效减水剂对水泥粒子间作用力的影响，并确定了各种作用力对分散效果的贡献。 水泥的矿物组成对高效减水剂在水泥上的吸附性能有重要影响。水泥四种矿物中对高效减水剂的吸附量由高到低的顺序为：C3A＞C4AF＞C3S＞β-C2S。C3A对各种高效减水剂都表现出强烈的吸附，其吸附量高出其它矿物一个数量级，C4AF对高效减水剂的吸附量略高于硅酸盐矿物，β-C2S对含磺酸基的高效减水剂的吸附量最小，但对聚羧酸表现出较高的吸附量(仅次于C3A)。氟石膏对高效减水剂的吸附能力高于二水石膏和硬石膏。 不同品种的高效减水剂在水泥单矿物和水泥颗粒上的吸附量明显不同。萘系高效减水剂在水泥矿物和水泥颗粒上的吸附量最大，其次是脂肪族磺酸盐，然后是氨基磺酸盐，吸附量最小的聚羧酸盐高效减水剂。但聚羧酸盐在β-C2S吸附量高于其它高效减水剂，表现出反常规律。按照吸附量计算，各种高效减水剂在水泥单矿物和水泥颗粒表面发生了分子层吸附。高效减水剂在水泥颗粒上的吸附量与水泥净浆流动度正好呈反向变化规律。 硅酸盐矿物在纯水中呈现出负电位，而铝酸盐矿物呈现出正电位；水泥颗粒在水中的带电状态比较复杂，但随着水化的进行逐渐转变为负电性；掺加高效减水剂的水泥单矿物和水泥颗粒表面都带有负电性，不同高效减水剂传递到水泥颗粒表面负电位大小的能力依次为：FAS＞UNF＞AS＞PC，颗粒表面电位与吸附量之间并无对应关系。 不同“水泥—水—高效减水剂”系统的流变特性与高效减水剂的分散性能有关，含聚羧酸高效减水剂系统的屈服值和塑性粘度最小，含萘系高效减水剂的屈服值和塑性粘度最大。高效减水剂的流变特性由其早期结构决定，ESEM清楚观测到“水泥—水—高效减水剂”系统的新拌状态的早期结构及其水化产物，含聚羧酸系统的水泥颗粒呈完全分散状态，结构均匀，其它系统的分散不完全。 本论文研究成果进步在于，把“水泥—水—高效减水剂”系统的流变特性和相关的界面化学现象有机联系起来，并对高效减水剂应用问题进行合理的理论解释。首次采用ESEM研究了“水泥—水—高效减水剂”系统的早期结构特性及其演变，并通过粒子间表面作用力计算分析，得到各种作用力对高效减水剂分散效果的贡献及其相互影响的规律，为新品种高效减水剂开发和应用提供了具有指导价值的理论基础，完善了高效减水剂作用机理理论系统。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章原材料与试验方法

第3章水泥单矿物对高效减水剂的本征吸附特性

第4章“水泥—水—高效减水剂”体系的吸附现象

第5章“水泥—水—高效减水剂”系统的动电性质

第6章“水泥—水—高效减水剂”系统的流变特性

第7章“水泥—水—高效减水剂”系统的早期结构

第8章“水泥—水—高效减水剂”系统颗粒间表面作用力分析

第9章高效减水剂与水泥的相互作用机理

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及完成科研项目

致谢