粘土之所以對(duì)摻減水劑混凝土工作性能有很大的負(fù)面影響主要與粘土的層狀結(jié)構(gòu)和較大的比表面積導(dǎo)致其具有很強(qiáng)的吸附性有關(guān)。一方面,粘土吸附大量減水劑,使得起減水分散性能的有效減水劑含量減少,從而導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性降低;另一方面,粘土吸附大量的拌合水,使混凝土拌合物中提供流動(dòng)性的自由水減少,從而降低混凝土流動(dòng)性。粘土對(duì)摻減水劑混凝土的負(fù)效應(yīng)是粘土吸附減水劑和吸附拌合水兩方面共同作用的結(jié)果,哪一方面起主導(dǎo)作用可能與減水劑種類(lèi)有關(guān)。
(1)粘土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附
Sakai等采用TOC測(cè)試了蒙脫土和石粉對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量,表明蒙脫土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)石粉對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量;馬保國(guó)等的研究結(jié)果表明泥土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附速率大于水泥對(duì)聚羧酸減水劑的吸附速率,且吸附量隨時(shí)間延長(zhǎng)均不斷增加后達(dá)到平衡,水泥和泥土對(duì)聚羧酸減水劑吸附達(dá)到平衡時(shí)的飽和吸附量分別為3.7mg/g和10.1mg/g。王子明等采用TOC研究了水泥和不同粘土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量,結(jié)果表明水泥對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量約為2~4mg/g,高嶺土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量約是水泥顆粒對(duì)聚羧酸減水劑吸附量的5倍,約為10~20mg/g;膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量約是水泥顆粒對(duì)聚羧酸減水劑吸附量的50倍,約為110~120mg/g;此外,高嶺土和膨潤(rùn)土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量隨時(shí)間變化不大,說(shuō)明粘土對(duì)聚羧酸系減水劑的吸附在初始很短時(shí)間內(nèi)就已經(jīng)達(dá)到飽和吸附量。王智等測(cè)定了水泥以及鈉基蒙脫土、鈣基蒙脫土、伊利土和高嶺土4種黏土在相同條件下對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水泥對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量為37mg/g;鈉基蒙脫土和鈣基蒙脫土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量分別為75mg/g、95mg/g;伊利土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量為41mg/g;高嶺土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量為40mg/g。不同研究者的試驗(yàn)結(jié)果有一些出入可能與試驗(yàn)方法和試驗(yàn)具體條件有關(guān),但從總體趨勢(shì)上可以看出粘土比水泥更易吸附聚羧酸減水劑,吸附量也越大。
不同粘土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量雖然能夠很好的解釋其對(duì)聚羧酸減水劑負(fù)效應(yīng)的程度,但不能反映聚羧酸減水劑是以何種方式被粘土吸附的。一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為粘土是通過(guò)表面吸附的方式吸附的聚羧酸減水劑,粘土顆粒帶電性質(zhì)受溶液中pH值的影響,當(dāng)溶液呈酸性時(shí),粘土顆粒一般帶正電,而當(dāng)溶液呈堿性時(shí),粘土顆粒帶負(fù)電,所以在水泥混凝土體系堿性環(huán)境中粘土顆粒通常是帶負(fù)電的。這種負(fù)電荷對(duì)聚羧酸減水劑中的陰離子RCOO-等具有排斥作用,不利于吸附,因此粘土顆粒表面通過(guò)電荷對(duì)聚羧酸減水劑大量吸附的觀(guān)點(diǎn)是不合理的。粘土在水泥混凝土堿性環(huán)境中雖然整體是帶負(fù)電荷,但電荷分布是不均勻的,在局部也有可能通過(guò)靜電力來(lái)吸附少量聚羧酸減水劑。粘土還可以通過(guò)表面負(fù)電荷吸附鈣離子先形成一個(gè)中介,從而吸附聚羧酸減水劑分子。另外,由于粘土具有很大的表面能,也有可能通過(guò)范德華力吸附聚羧酸減水劑。另一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為粘土主要是通過(guò)層間吸附的方式吸附的聚羧酸減水劑,通過(guò)理論計(jì)算可知,鈉基蒙脫土的層間距為12.50埃,鈣基蒙脫土的層間距為15.50埃,無(wú)論是鈉基蒙脫土還是鈣基蒙脫土,聚羧酸減水劑分子均不能整體進(jìn)入蒙脫土層間。但是聚羧酸減水劑側(cè)鏈在水中折疊團(tuán)聚后的縱向半徑大約為0.4~1nm,在尺寸上是可以被吸附進(jìn)入粘土層間的。Plank通過(guò)XRD試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吸附了聚羧酸減水劑之后的鈉基蒙脫土層間距由1.23nm上升到了1.77nm,他認(rèn)為粘土吸附聚羧酸減水劑分子是側(cè)鏈插層進(jìn)入層間而不是整體進(jìn)入層間;吳昊等人的研究也發(fā)現(xiàn)用聚羧酸減水劑處理后的蒙脫土層間距由1.487nm增至1.863nm;王智等人研究表明蒙脫石與醚類(lèi)聚羧酸減水劑作用后的層間距其層間距由1.49nm增大至1.75nm,與酯類(lèi)聚羧酸減水劑作用后層間距擴(kuò)大至1.83nm,由此可以推斷聚羧酸減水劑分子確實(shí)被粘土層間吸附了。
(2)粘土對(duì)拌合水的吸附
大多學(xué)者對(duì)粘土影響聚羧酸減水劑的機(jī)理主要從水泥和粘土對(duì)聚羧酸減水劑的吸附量方面進(jìn)行了解釋?zhuān)瑢?duì)粘土還可能通過(guò)吸附拌合水從而影響混凝土工作性?xún)H從理論上分析給出了定性描述,少有試驗(yàn)驗(yàn)證。胡倩文通過(guò)粘土膨脹容試驗(yàn)和流動(dòng)度試驗(yàn)研究了不同粘土的吸水性差異,從粘土吸水性能角度探究其對(duì)混凝土的流動(dòng)度影響機(jī)理。研究結(jié)果表明,不同粘土膨脹容不同,鈉基蒙脫土>鈣基蒙脫土>伊利土>高嶺土。鈉基蒙脫土和鈣基蒙脫土具有較強(qiáng)的吸水膨脹性,在保證250mm流動(dòng)度的條件下,其吸水量差異較大,鈉基蒙脫土的吸水量為8g/g,鈣基蒙脫土的吸水量為1.7g/g,伊利土和高嶺土的吸水性較弱。