普鲁兰多糖对水泥浆体的影响范文

本站小编为你精心准备了普鲁兰多糖对水泥浆体的影响参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《材料导报杂志》2015年第S1期

一些微生物在生长代谢过程中，在不同的外部条件下能产生一定量的各种类型微生物多糖。近年来，微生物多糖以其优良的理化特性，受到人们的广泛关注。关于微生物多糖在水泥基材料中的运用，研究最多的是关于其作为粘度改性剂对水泥浆体流变性能以及自密实混凝土性能的影响，其中威兰胶（WelanGum）、定优胶（DiutanGum）等在较低掺量下即可增强水泥基材料的保水增稠性能，赋予水泥体系优异的流变学特性［1－4］。随着研究者们对微生物多糖研究的逐步深入，开始不断有新型微生物多糖被研究和开发出来，充分发掘新型微生物多糖的新用途以及利用其优良特性来改善水泥基材料性能的研究是十分有必要的。普鲁兰多糖（Pullulan）是真菌茁芽短梗霉（Aureobasi－diumpullulans）菌株分泌的一种粘性物质［5］，是由葡萄糖组成的直链状同型多聚糖，具有无毒、可生物降解等优点，以及极好的成膜性、粘结性、阻气性等独特的性质［6］，已被广泛运用于医药制造、食品包装、水果及海产品保鲜、化妆品工业和农业种子保护等领域。近年来，普鲁兰多糖作为微生物絮凝剂去处理污水的研究也已经取得了一定成果［7］。但是关于其在水泥基材料中的运用，目前还未见文献报道。本工作基于国内外文献对威兰胶和定优胶对水泥基材料性能影响的研究，探究普鲁兰多糖对水泥净浆凝结时间、流动度的影响，并采用Zeta电位仪研究了普鲁兰多糖单掺以及普鲁兰多糖与减水剂复掺对水泥浆Zeta电位的影响，此外还探究了其对硬化水泥浆体力学性能的影响。

1实验

1．1实验材料水泥：P•O42．5普通硅酸盐水泥。减水剂：聚羧酸系高效减水剂（PC），固含量40％的水溶液。普鲁兰多糖（Pul－lulan）：白色粉末，山东福瑞达生物科技有限公司，30℃下固含量为10％的水溶液粘度为100～180mm2／s。

1．2实验方法试验前先将普鲁兰多糖加入到拌合水中充分溶解，不允许有结块，因其易生物降解，不宜放置时间过长。试样搅拌工艺：将掺有普鲁兰多糖的拌合水和减水剂倒入搅拌锅中，搅拌均匀，再倒入水泥，低速搅拌2min，停止15s再快速搅拌2min。按照GB／T1346－2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行标准稠度用水量和凝结时间的测定。根据GB／T8077－2012《混凝土外加剂匀质性实验方法》中规定的水泥净浆流动度测试方法，测试聚羧酸减水剂和普鲁兰多糖复掺下的水泥净浆流动度。水灰比固定为0．4，减水剂掺量为水泥质量的0．2％，参照文献［2］，普鲁兰多糖掺量为0．02％、0．04％、0．06％、0．08％（水泥质量分数）。重复测量拌合后30min、60min、90min、120min时水泥净浆的流动度。试验过程中用湿毛巾覆盖搅拌锅，每次测量前20s进行人工搅拌。Zeta电位测试采用美国分散技术公司（DTI）生产的DT－1200型全自动电位分析仪，该仪器采用电声学测量技术，并带有搅拌装置，可以测量浓度高达50％（体积浓度）的膏状物、凝胶和一些浆体材料。水泥浆体悬浮体的浓度对水泥表面的电荷特性有极大的影响［8］，水泥浆体必须足够稀才能避免受到相邻水泥粒子的影响，因此固定水灰比（m（水）∶m（灰））为1∶1。因水灰比较高，故考虑增加普鲁兰多糖的掺量，取为0．1％、0．2％、0．3％（水泥质量分数），此掺量范围仍在威兰胶优选掺量范围内［9］。固定减水剂掺量为1．0％（水泥质量分数）。试验过程参考文献［10］，实验仪器设置为每隔1min取1个数据，连续测试30min。力学性能测试参照GB／T17671－1999《水泥胶砂强度检验方法》。实验水灰比0．4，试样尺寸40mm×40mm×160mm，成型后将试样置于标准养护室（20℃、相对湿度95％）中养护24h后脱模，然后放入标准养护室中养护3d、7d、28d，测试其抗压强度。

2结果与讨论

2．1凝结时间对单掺普鲁兰多糖及复掺普鲁兰多糖与减水剂的水泥浆体分别进行标准稠度用水量和凝结时间测定。从表1中可看出，普鲁兰多糖对水泥浆体具有增稠作用，随着其掺量增加，标准稠度用水量增加。由表2可知，普鲁兰多糖和减水剂共掺时，随着普鲁兰多糖掺量的增加，标准稠度用水量亦增大，但两种条件下的变化率并不相同。水泥浆体中存在减水剂时，标准稠度用水量对普鲁兰多糖的掺量更为敏感，例如P8组标准稠度用水量较空白组P0增加8．6％，而PS8组与PS0相比，标准稠度用水量增量比率却高达19．8％。就凝结时间而言，由表1中可知，普鲁兰多糖对水泥浆体具有明显的缓凝作用，随着掺量的增加，凝结时间延长，与空白组相比，P8组初凝时间延长113min，终凝时间延长148min。对比表1和表2，加入减水剂后，水泥浆体初终凝时间均延长，由此可知聚羧酸减水剂也具有缓凝性质。但与单掺组相比，减水剂和普鲁兰多糖共掺组的初终凝时间均不同程度地缩短，聚羧酸减水剂降低了普鲁兰多糖所具有的缓凝效果。这可能是因为微生物多糖是阴离子聚合物，其性能会受到减水剂的影响，当水泥体系中不存在减水剂时，微生物多糖的阴离子性有把拌合水吸附到水泥浆体表面的趋势［11］，进一步延缓水泥的水化反应，但减水剂存在时，这种现象可以避免。关于外加剂的缓凝机理，研究学者提出了许多观点。其中Hansen认为外加剂吸附在水化产物和未水化的水泥颗粒上，阻止水分与水泥颗粒接触，防止水对水泥颗粒表面的初始侵袭［12］。武汉理工大学赵青林等［4］研究了威兰胶对硫铝酸三钙和石膏体系水化反应的影响，结果表明威兰胶可稳定地吸附在C3A和钙矾石上，延长钙矾石的成核期和生长期，降低C3A的水化活性。普鲁兰多糖和威兰胶同属微生物多糖，当体系中存在普鲁兰多糖分子时，这些分子就会吸附到似凝胶状的钙矾石上，在其表面形成一层薄膜，阻止钙矾石晶核的长大和水泥熟料的水化。此外，由于普鲁兰多糖具有粘性，会增加孔溶液的粘度，降低水泥体系中离子的移动速率，从而进一步延长水泥的水化过程。

2．2水泥净浆流动度PC掺量固定为0．2％，普鲁兰多糖掺量分别为0．02％、0．04％、0．06％、0．08％时，水泥净浆流动度随时间的变化趋势见图1。由图1可知，随着普鲁兰多糖掺量的增加，水泥浆体的初始流动度降低，当其掺量为0．08％时，水泥浆体的初始流动度与空白试样接近。普鲁兰多糖溶液的粘度随着浓度增加而增大［6］，因此其掺量增加会导致浆体流动度降低。随着时间的延长，单掺减水剂水泥浆体流动度明显呈降低趋势，然而复掺普鲁兰多糖水泥浆体的表现却相反。当普鲁兰多糖掺量为0．02％时，0～120min内水泥浆体流动度基本不变；较高掺量（0．04％～0．08％）下，0～60min内水泥浆体流动度增加，60～120min内浆体流动度均处于一种平稳状态。普鲁兰多糖在有效缓解水泥浆体泌水的同时，阻止其流动度经时损失，使水泥浆体保持良好的工作性能，在施工中可以作为保坍剂使用，以解决泵送混凝土的坍损现象。

2．3Zeta电位普通硅酸盐水泥熟料是由氧化钙和硅、铝、铁的氧化物经粉磨而成的活性粉末物质，主要矿物成分有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸钙（C3A）和铁铝酸钙（C4AF）。水泥水化进程中，铝酸盐的水化速率比硅酸盐快得多，水化早期，C3A将会首先发生水化作用。在水泥分散体系中，C3S、C2S矿物及其水化产物均带负电，而C3A和C4AF及其水化产物带正电［13］。本实验研究的是水泥水化30min内的Zeta电位变化情况，故纯水泥粒子带正电荷，这可以从图2中看出。研究表明，大多数有机外加剂加入到水泥浆体中后，均有被吸附到水泥颗粒或水泥水化产物表面的倾向［14］。随着水泥水化反应的进行，水泥粒子表面不均匀地分布着吸附点，外加剂吸附其上，改变水泥颗粒表面的电荷分布，从而改变水泥浆的Zeta电位。然而外加剂要想吸附到水泥颗粒表面，要求外加剂带与水泥颗粒表面相反性质的电荷［15］。

2．3．1单掺普鲁兰多糖和单掺减水剂水泥浆的Zeta电位图2为纯水泥浆及单掺普鲁兰多糖或减水剂水泥浆Ze－ta电位随时间变化趋势图。由图2可知，纯水泥浆体Zeta电位随时间的延长而增加，这是因为水泥水化过程中会生成大量的Ca（OH）2，Ca2＋吸附到水泥颗粒表面，从而导致水泥浆Zeta电位增加，这与文献［10，16］的研究结果一致。掺入普鲁兰多糖或聚羧酸减水剂后，水泥浆Zeta电位均降低，这是由于普鲁兰多糖和减水剂分子吸附到水泥颗粒表面所致。单掺普鲁兰多糖水泥浆的Zeta电位初始值很小，可以推断出普鲁兰多糖本身带负电，且负电荷密度较高；3～13min内，水泥浆Zeta电位极度不稳定，这可能是由于普鲁兰多糖本身的性质导致其在水泥粒子表面的吸附不稳定；13min时水泥粒子对普鲁兰多糖的吸附达到平衡状态，此时Zeta电位值大于初始值，说明在这段时间内普鲁兰多糖的吸附程度降低，这正好可以解释水泥净浆流动度随着时间的延长而增大的现象；13min后，随时间的延长，掺普鲁兰多糖浆体Zeta电位几乎不再发生变化，普鲁兰多糖的掺入改变了水泥浆Zata电位原本随时间延长而增加的趋势，由此可推断普鲁兰多糖具有缓凝性质，这与凝结时间试验结论一致。

2．3．2普鲁兰多糖掺量变化对减水剂共掺水泥浆Ze－ta电位的影响图3为普鲁兰多糖掺量变化对水泥浆Zeta电位的影响图。Zeta电位反映的是体系中双电层电势，它与体系中分子之间的静电斥力有着密切联系，根据Debye－Huckel公式。可知，随着外加剂掺量的增加，吸附层厚度L增加，水泥颗粒之间间距h变小，因此，静电斥力FES变小，体系的分散性下降，Zeta电位值降低。但由图3可知，随着普鲁兰多糖掺量的增加，水泥浆体发生了更为复杂的过程，Zeta电位值呈现出先减小再增加后减小的趋势。当普鲁兰多糖掺量很低时，水泥粒子表面分子的吸附还未达到饱和状态，普鲁兰多糖分子仍然会吸附在水泥颗粒上，吸附层厚度增加，Zeta电位降低。继续增加普鲁兰多糖的掺量，由于普鲁兰多糖分子与PC减水剂之间具有相容性，两种分子之间更倾向于互溶，因而可能发生普鲁兰多糖分子与吸附在水泥颗粒表面的PC分子位置互换的现象，在此互换的过程中，水泥颗粒可能与水分子接触，发生水化反应，从而导致水泥浆Zeta电位增加。而当普鲁兰多糖掺量较多时，由于其具有较高的负电荷密度，因此Zeta电位明显降低。2．4强度特征设计配合比为：水灰比0．4，普鲁兰多糖掺量分别为0．02％、0．04％、0．06％和0．08％（以占水泥质量计）。由图4可知，在3d龄期时，P4、P6组与空白组强度相当，其余两种掺量下强度略低；在7d龄期时，除P2组外，其余各组强度均明显低于空白组；由28d强度对比可以看出，P2、P8两组强度与空白组基本相同，P4组强度明显高于P0组，P6组强度最低，但仍在可接受的范围内。由此可知，普鲁兰多糖掺量在0．08％以下时，其掺入对水泥的抗压强度无明显的不利影响，可以在水泥基材料中使用。普鲁兰多糖对水泥强度的影响可能存在两方面的共同作用：一是由于普鲁兰多糖本身具有增稠性质，可使水泥浆体的微观结构更加密实，使得硬化水泥浆体在局部的强度增大；二是普鲁兰多糖会增加拌合水的粘度，影响水泥浆体的孔结构，随着其掺量的增加，水泥浆体中气孔的数量增多，孔的直径增大，对强度产生不利影响。此外，普鲁兰多糖具有缓凝性质，因此其掺量大于0．02％时，7d时硬化水泥浆体强度较空白组偏低。

3结论

（1）普鲁兰多糖具有粘性，其掺入会增大水泥浆体的标准稠度用水量，延缓水泥浆体的凝结时间。聚羧酸减水剂的掺入降低了普鲁兰多糖的缓凝效果。（2）水灰比和减水剂掺量一定时，普鲁兰多糖掺量的增加会导致水泥浆的初始流动度降低。随着时间的延长，掺普鲁兰多糖浆体不会出现流动度经时损失的现象，掺量为0．02％时，水泥浆流动度基本不变，掺量为0．04％～0．08％时，60min内水泥浆流动度增加，后期几乎不再发生变化。普鲁兰多糖在施工中可以作为保坍剂使用。（3）30min内，聚羧酸减水剂与普鲁兰多糖的掺入均降低了水泥浆的Zeta电位，但仍为正值。普鲁兰多糖掺入后，初期水泥浆体的Zeta电位极度不稳定，后期达到稳定状态。减水剂掺量一定时，随着普鲁兰多糖掺量的增加，水泥浆Ze－ta发生了复杂的变化过程。（4）普鲁兰多糖掺量在0．08％以下时，其掺入对水泥硬化浆体的抗压强度无明显不利影响。

作者：黄政宇 李姗姗 单位：湖南大学土木工程学院