帅 欢 沈 杰

（1.中国地质大学（北京），北京 100083；2.北京工业职业技术学院基础教育学院，北京 100042）

0 引言

混凝土是由胶凝材料将骨料胶结成一个整体的工程复合材料的统称，是目前世界上使用量最大，并且使用范围最广的建筑材料，广泛应用于桥梁、建筑等土木工程中。其中的胶凝材料、砂浆、骨料、外加剂的优劣都会直接严重影响混凝土结构的整体质量。因此保证混凝土各个原料的质量是决定整体混凝土结构质量最重要的因素之一［1-3］。减水剂作为混凝土外加剂的一种，既可以单独使用，也可以和其他的外加剂复合使用，可以改善拌合混凝土的相应性质。

1 设计思路

减水剂的作用主要通过2种方法来表现，一种是在保证水泥砂浆各项的配比不发生改变的情况下，减水剂的加入可以显著地增加混凝土拌合物的保坍性以及和易性；另一种则是在保证混凝土拌合物的保坍性以及和易性不发生改变的情况下，显著减少拌合所用的水量，达到节约用水的目的，并且还能达到提高混凝土强度和耐久性的目的，降低因为水泥的水合作用而带来的收缩、裂变以及热变形等现象［4-9］。

目前，在使用聚羧酸系减水剂之前，都是通过与水混合来溶解减水剂，再加到混合好的水泥砂浆中，以达到分散的作用。因为作为粉体的减水剂在加入水泥以及砂中时，较难搅拌均匀，所以需要与水混合。但是这样的步骤会极大地增加运输成本，液体的运输是需要利用大集装罐子，运输成本远远高于固体运输，并且其运输的液体中有一部分是水，作为有效成分的减水剂只占了其中一部分［10-14］。

针对以上问题，笔者进行了利用硅藻土的多孔结构吸附聚羧酸系减水剂的研究。这是因为一方面，硅藻土颗粒粒径较大，能够较容易地与水泥混合均匀，从运输的成本方面考虑，负载后的减水剂是固体，运输固体的成本远远要低于运输液体的成本［15］。另一方面，硅藻土负载减水剂之后，可以直接与水泥、砂混合均匀之后，再加水搅拌，可以达到工业水泥应用的标准。这一过程在工业生产中是在搅拌机或者带有搅拌器的运输车中进行的，在混合均匀之后再与水进行搅拌，极大程度上减少了所要搅拌的时间，减小搅拌对机器的磨损，延长搅拌机或者搅拌器的使用寿命，也更加契合绿色环保这一理念。

本实验旨在通过负载的方式，在不降低混凝土一系列使用性能或是降低幅度在可接受的情况下，来降低聚羧酸系减水剂运输所需的成本以及对搅拌机或搅拌器的磨损程度，包括混凝土的坍落度测试与混凝土的抗压强度测试。利用硅藻土负载减水剂实现了减水剂由液体向固体的转变，大大降低了工业生产中运输减水剂的成本。

2 实验内容

2．1 实验原料

实验所用原料：硅藻土（广州金荣化工有限公司）、水泥（复合硅酸盐水泥P.C42）、聚羧酸系减水剂（有效成分为40%）、砂（经过筛选过滤的细砂）。

2．2 实验步骤

实验步骤：（1）干燥硅藻土；（2）硅藻土负载聚羧酸系减水剂；（3）测定混凝土坍落度；（4）测试相同搅拌时间情况下的负载前后硅藻土-减水剂混凝土坍落度；（5）测试负载前后混凝土的抗压强度。

（1）干燥硅藻土。利用烘箱干燥所得硅藻土，除去水分，目的是使硅藻土能够充分吸附聚羧酸系减水剂；温度150℃，干燥24 h；冷却后用密封袋装好备用。

（2）硅藻土负载聚羧酸系减水剂。在烧杯中加入称量好的硅藻土，缓缓加入聚羧酸系减水剂，并利用玻璃棒不断搅拌，直到硅藻土不再吸附减水剂为止。测试出硅藻土吸附减水剂的最佳比例（即硅藻土吸附减水剂的最值，理论上来说吸附得越多，做出来的效果越好），要求负载后的硅藻土干爽，不出现团聚，成干粉状。

（3）测定混凝土坍落度。将所得到的负载后的硅藻土-减水剂，按照一定比例加入水泥、砂，混合搅拌均匀，利用混凝土坍落度测试仪，测量负载前后的硅藻土-减水剂混凝土坍落度以及不加减水剂的混凝土坍落度，比较并分析。

（4）测试相同搅拌时间情况下负载前后硅藻土-减水剂混凝土坍落度。按比例混合均匀水泥、砂以及减水剂之后，加水，搅拌相同的时间，测试相同搅拌时间情况下的负载前后硅藻土-减水剂混凝土坍落度，比较并分析。

（5）测试负载前后混凝土的抗压强度。将按比例混合好的混凝土装进模具里面，自然干燥3 d后，测试负载前后混凝土的抗压强度，比较并分析。

实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

3 实验结果与分析

3．1 减水剂负载于硅藻土定量分析

经过150℃烘箱干燥24 h后，原样硅藻土失去部分结构水；称量的300 g硅藻土失去21 g结构水，失重7%。正是由于失去这部分水分，减水剂才能更好地负载于硅藻土上，负载之后的硅藻土要求干爽，不出现团聚，成干粉状，并且所负载的减水剂的量尽可能地大。负载前硅藻土外观如图2所示。

实验过程中，先称量30 g硅藻土置于烧杯中，然后依次加入10 g硅藻土，直至硅藻土干爽且无团聚，可测得减水剂溶于硅藻土的最佳比例，实验证明硅藻土与减水剂质量比为1∶1时，效果较好。负载后硅藻土如图3所示。

由图2可以看出，干燥后的硅藻土颜色较白，颗粒较细且均匀；图3是硅藻土与减水剂质量比为1∶1混合之后的状态，颜色由白色变为褐色，无团聚现象，颗粒大小分布均匀，证明减水剂已经较好地负载于硅藻土上。

图2 负载前硅藻土

图3 负载后硅藻土

加入的减水剂稍过量，硅藻土负载过程中出现团聚、结块，负载效果不好，无法进行实验，如图4所示。因此本实验中的负载后减水剂，均为负载效果较好的硅藻土与减水剂质量比为1∶1的负载后硅藻土。

图4 过量减水剂后的硅藻土

3．2 电子显微镜扫描

在减水剂负载于硅藻土之后，为了能够清晰地看出实验的微观形貌，对负载前后的减水剂做了扫描电子显微镜的测试分析。图5、图7为负载前纯样硅藻土；图6、图8为负载后硅藻土。以下实验均是利用本次扫描电子显微镜的2组样品进行。

图5 负载前纯样硅藻土（10μm）

图6 负载后硅藻土（10μm）

图7 负载前纯样硅藻土（5μm）

图8 负载后硅藻土（5μm）

从图5与图6中可以看出，硅藻土很多已经破碎，都有一部分碎屑，这可能与搅拌过程有关，但是用同一批的硅藻土来做负载实验，破碎的硅藻土不会对实验结果产生影响，本次扫描电子显微镜中，找到了相对完整的硅藻土颗粒，做出了图7与图8，通过增加放大倍数，可以更加清晰地看出硅藻土中的孔径负载情况。

从扫描电镜看出，图7纯样的圆盘状硅藻土具有特殊的多孔结构，并且空隙完整空旷，从而决定了它具有良好的吸附性。对比可以发现，图8硅藻土颗粒表面有1层油腻状的液体，孔径被填充，说明硅藻土颗粒表面和孔道均负载了聚羧酸系减水剂，硅藻土对聚羧酸系减水剂起一定的负载作用。但是仍然有一部分的空隙没有被填满，这是由于硅藻土中的结构水没有被完全剥离出去，仍然有一部分占据着孔径，导致聚羧酸系减水剂无法进入孔径；也有可能是因为负载的质量比并不是最佳配比，由于时间有限，无法做出更多的质量梯度来找出最佳的硅藻土与减水剂质量比。尽管部分孔径未被填满，但是不影响下面实验的进行。

3．3 混凝土坍落度测试

利用所得的负载前后的硅藻土做混凝土坍落度测试，坍落度测试按照水泥：砂：减水剂＝1：3：5‰的比例混合搅拌均匀，加入一定量的水，测试混凝土坍落度，一共设置3个对照组，分别为不加减水剂组、加减水剂组、加负载后减水剂组，其中加减水剂组与加负载后减水剂组的减水剂有效成分相同。

混凝土使用过程中，原料配比中有骨料，本次实验的所有对照组均未添加骨料，因此已经排除了骨料对本次实验的影响；但是其他实验中，测试混凝土坍落度是会添加骨料的，骨料起到支撑保护作用，能够有效地提高混凝土的坍落度。因此本次实验结果仅可以作为组内对照使用，与其他实验对比有差异。混凝土坍落度测试结果如表1所示。磨损。目前工业混凝土都是通过卡车运载搅拌器运输，搅拌器里充满了所需要的原料，为了保证到达施工现场就可以使用混凝土，搅拌器一直处于工作状态，以保证混凝土能够随时投入生产。正常的混凝土原料含有骨料，而骨料质硬，对搅拌器的磨损严重。但是如果原来需要搅拌5 min的原料，通过利用硅藻土负载之后，只需要3 min就可以达到相同的状态，则有效地降低了对于搅拌器的磨损，进一步降低了成本。

表1 混凝土坍落度测试结果

基于上述考虑，实验的下一步则是通过测试相同搅拌时间下的负载前后减水剂的坍落度，对比出负载后的减水剂能否有效实现减少搅拌时间这一目的。

3．4 搅拌相同时间混凝土坍落度对比分析

通过上述分析，这一步实验过程清晰，就是测试搅拌相同时间混凝土坍落度，坍落度测试按照水泥：砂：减水剂＝1∶3∶5‰的比例混合，以保证可以与上一组测试的结果进行对比。称量好原料之后，先搅拌均匀，再加入适量的水，加水之后搅拌时间相同，测试混凝土坍落度，设置2个对照组，第1组为加减水剂组，第2组为负载后减水剂组，其中加入减水剂组与加负载后减水剂组的减水剂有效成分相同。测试结果如表2所示。

表2 搅拌相同时间混凝土坍落度测试结果

表1中，第2组中减水剂为负载前的纯的减水剂，第3组中减水剂为负载后减水剂，其中硅藻土减水剂为1∶1，即第2组与第3组减水剂的有效成分相等；作为对照，第2组中同样加入了80 g硅藻土，但是同水泥一起加入，没有负载。加水之后的搅拌时间为每一组的混凝土状态均匀，适合做坍落度测试。

通过表1可以看出，聚羧酸系减水剂的减水效果明显，不论负载前后的减水剂，只要有减水剂组，平均坍落度远远比未加减水剂的好很多，而负载后的减水剂效果没有纯的减水剂效果好，这与硅藻土释放减水剂的能力有关，即负载后的减水剂并不一定能够全部释放；但是减少的效果仍然在可控允许的范围内。

本组实验证明了聚羧酸系减水剂可以在被硅藻土负载的前提下，加入混凝土拌合时不会显著降低混凝土的使用性能，这也说明了仅对减水剂的运输，已经可以实现从液体到固体的转变。本次实验目的中降低运输成本这一条，已经通过实验的方法证明是可行的，这也为下一步实验提供了方向。

从实验目的出发，下一步则是考虑负载后的减水剂能否有效地降低混凝土对搅拌机或者搅拌器的

通过表2可以看出，在搅拌时间相同的情况下，负载后的减水剂组效果优于直接加减水剂组。负载之后的减水剂是同水泥一起加入且混合均匀的，减少了加水之后搅拌时间，在工业上有利于降低对搅拌器或搅拌机的磨损，达到了降低成本的目的。

将本组数据与上组数据进行对比发现，减少搅拌时间之后，没有负载的减水剂组，坍落度损失比负载之后的减水剂组多，减少搅拌时间对未负载减水剂组影响大。负载之后的减水剂组能够有效地降低搅拌时间。

3．5 负载前后减水剂制成混凝土抗压强度对比

将前面所得混凝土装入30 mm×30 mm模具中，常温下放置3 d后，测试混凝土的抗压强度，设置2个对照组，第1组为加减水剂组，第2组为负载后减水剂组，其中加入减水剂组与加负载后减水剂组的减水剂有效成分相同。测试结果如表3所示。

表3 （续）

表3 混凝土抗压强度测试结果

通过对比可以发现负载后的减水剂组的最大压缩力和抗压强度，略高于直接减水剂组，负载之后没有对混凝土的性能造成影响，相反有增强效果。

4 结论

笔者采用固体负载液体的方法，以硅藻土矿物为载体，负载聚羧酸系减水剂，制备出由硅藻土负载的减水剂。通过扫描电子显微镜、混凝土坍落度测试、混凝土抗压强度测试等检测手段对负载前后减水剂的性能进行了表征分析，获得结论如下：

（1）通过依次向硅藻土中加入少量减水剂，直到达到硅藻土负载上限，无法负载，产生团聚现象，得出在硅藻土与减水剂质量比为1∶1时，负载效果较好，负载之后不出现团聚，负载量较大。

（2）通过电子显微镜扫描图可以发现，减水剂能够较好地负载在硅藻土上面，孔径中能够较好地负载减水剂，从微观上证明了硅藻土负载减水剂的可行性。尽管仍然有部分孔洞被结构水占据，但是并不影响实验的进行。

（3）通过混凝土坍落度测试结果可以看出，负载之后硅藻土的效果有一定的损失，这与硅藻土不能够完全释放减水剂有关，但是损失的范围在可控范围之内。这一步有效地实现了聚羧酸系减水剂由液体向固体的转变。

（4）在搅拌时间相同的情况下，负载之后硅藻土的坍落度效果要优于直接加入减水剂组，也就是说负载之后的硅藻土能够有效减少混凝土原料所需搅拌的时间，能够降低混凝土搅拌过程中对搅拌器的磨损，达到降低损耗的目的。

（5）从混凝土抗压实验的测试结果来看，负载之后硅藻土组的混凝土强度比负载之前硅藻土组的强度高，有一定的增强效果。

通过以上分析，可以看出，硅藻土负载减水剂的最佳质量比为1∶1，减水剂被负载于硅藻土的孔洞结构中，负载之后硅藻土在充分搅拌的情况下，坍落度有一点儿损失，但是在搅拌时间相同的情况下，负载之后硅藻土的坍落度表现要优于没有负载于硅藻土的减水剂组，并且抗压强度性能，也是优于没有负载于硅藻土的减水剂组，证明了硅藻土负载聚羧酸系减水剂的可行性。