1、砂浆功夫Mortar Technology60CHINA CONCRETE 2023.01 NO.163本文转自：2022 第十届中国国际预拌砂浆生产应用技术研讨会论文集第一作者：陈宇珊，1998年生，硕士通信作者：张红平，副研究员，E-mail：引言为使有限种水泥能满足复杂多变的施工环境及品质要求，外加剂凭借出色的性能调节作用已成为水泥基复合材料的第5种重要组分而被广泛应用1-3。缓凝剂是最常用的水泥外加剂，可用于延缓水泥水化速度，调节水泥浆的凝结时间，以保持水泥浆在特殊使用条件下（如预拌混凝土、高温作业混凝土、大体积混凝土等）的可加工时间，保证工程建筑安全、顺利施工4-5。然而，大多数缓凝
2、剂的缓凝效果随环境温度的升高而严重下降，甚至失效6-7，这极大地影响了施工的进程和安全性，无法满足沙漠、戈壁滩、深地等高温区域作业的应用需求。因此，开发一种耐高温、不损伤强度的缓凝剂具有重要的现实意义和应用价值。耐高温缓凝剂是支持水泥基复合材料完成高温作业的必要外加剂，现有耐高温缓凝剂包含木质素磺酸盐及其衍生物、纤维素及其衍生物、羟基羧酸盐类、无机化合物类、有机磷酸盐类、合成高分子型和复配型缓凝剂等七大类8。Guo等9制备了AMPS/IA（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/衣康酸）共聚物缓凝剂，具有优异的高温缓凝黄原胶对普通硅酸盐水泥性能的影响及机理研究陈宇珊李玉婷刘来宝张红平西南科技大学 四川
3、绵阳 621010摘 要：大多数缓凝剂的调节作用随环境温度升高而下降，严重影响了固井工程、地热工程等高温作业的施工进程和安全性。现有耐高温缓凝剂多为合成高分子型，成本高、易造成污染，不符合当代“双碳”目标的发展需求。本文研究了一种普通硅酸盐水泥用天然耐高温缓凝剂黄原胶，通过凝结时间、流动度、力学性能、X-射线衍射、流变等表征方法，研究了在2080温度范围内黄原胶的粘度变化及其对水泥浆和易性和力学性能的影响。结果表明：黄原胶具有稳定的溶液表观粘度和分子结构，使其在高温下具有稳定的缓凝和增稠效果。此外，黄原胶丰富的极性官能团可通过螯合Ca2+来延缓水泥水化进程，这种延迟效应几乎不会造成强度损失。黄
4、原胶对开发用于各种特殊环境下的水泥基复合材料具有重要意义。关键词：黄原胶；普通硅酸盐水泥；高温缓凝剂；增稠剂Influence of Xanthan Gum Retarder on the Properties of Ordinary Portland CementAbstract:The regulating effect of most retarders decreases with the increase of ambient temperature,which seriously affects the construction process and safety of high
5、-temperature operations such as cementing engineering and geothermal engineering.At the same time,mostof retarders for high-temperature environment are synthetic polymer,which are expensive and easy to cause pollution,disagree with the development of contemporary two-carbon goals.In this study,a nat
6、ural retarder for ordinary Portland cement(OPC),xanthan gum,was reported.Through the characterization of setting time,fluidity,mechanical properties,X-ray diffraction,and rheology,it was studied the viscosity change of xanthan gum in the temperature range of 20-80 and its effect on workability and m
7、echanical properties of cement paste.The results show that the stable solution apparent viscosity and molecular structure of xanthan gum leading to the stable retardation and thickening effect at high temperature of OPC.In addition,the cement hydration process delayed by chelating Ca2+via the abunda
8、nt polar functional groups of xanthan gum without strength damage.Xanthan gum is of great significance to the development of cement-based composite materials for various special environments.Key words:Xanthan gum;ordinary Portland cement;high temperature retarder;thickener砂浆功夫Mortar Technology61总163
9、期 2023.01 混凝土世界效果。彭志刚等10采用溶液聚合原位插层法，制备了一种有机-无机复合型抗高温缓凝剂。刘鑫等11制备了复配型含膦聚合物OPR-1缓凝剂，具有较高的抗高温性能。尽管耐高温缓凝剂已取得了一定的研究进展，然而，绝大多数耐高温缓凝剂单体成本高，需二次合成，易造成多次污染，与当代低碳环保的发展观不符。由上，环保耐高温型缓凝剂具有如下特征：（1）有可螯合Ca2+的功能性官能团，如OH、COOH、NH2等，以延缓水化产物的形核与生长；（2）分子主链在碱性和高温环境可保持稳定；（3）缓凝剂在完成指定功能后，自身可降解，不损坏混凝土强度，同时保持环境友好。黄原胶（Xanthan Gum
10、，简称XG）又称汉生胶，由D-葡萄糖、D-甘露糖和D-葡萄糖醛酸按22 1组成，是一种由黄单胞杆菌发酵产生的天然多糖12，凭借其丰富的极性官能团（OH、COOH）和稳定的分子结构在食品、医药、石油工业和日用化工中被广泛应用。黄原胶具有良好的水溶性，其分子链通过侧链反向缠绕主链骨架并辅以氢键连接，形成棒状双螺旋结构13，这种稳定的分子结构赋予黄原胶良好的耐酸碱、耐高温和耐盐特性14，是一种潜在的耐高温缓凝剂。本文以黄原胶为研究对象，通过凝结时间、流动度、力学性能等评价了其作为缓凝剂的基本性能，并研究了其高温缓凝机理。1 试验部分1.1 试验材料（1）普通硅酸盐水泥（OPC，42.5R）购自中国四
11、川双马水泥有限公司，密度为3.04g/cm3，水泥未使用任何外加剂。黄原胶购自西亚试剂有限公司，纯度99%，无需进一步纯化即可使用。（2）缓凝剂溶液的制备。将不同含量的黄原胶（0、0.01、0.02、0.05、0.1和0.2wt%）溶解在去离子水中，室温下匀速搅拌24h以确保黄原胶完全溶解，超声10min，即可获得稳定、均一的不同浓度的黄原胶溶液。1.2 试验表征1.2.1 凝结时间根据ASTM C191标准测得水泥的正常稠度为0.28。将500g水泥与140g黄原胶溶液混合，在将溶液加入水泥时开始计时。凝固时间通过Vicat仪器（SS-S-403，筱原制作所，日本）进行测量，当维卡针下沉至距
12、底板（41）mm时，认为已达到初凝时间；当环型针无法在水泥浆体上留下痕迹即为终凝。1.2.2 流动度为研究黄原胶对水泥浆和易性的影响，根据ASTM C14372015标准进行了流动性测试。水泥浆的流动性是两个垂直方向最大直径的平均值，每个值重复测量3次。同时用NDJ-99旋转粘度计测试了不同黄原胶含量下的水泥浆粘度。1.2.3 抗压强度根据ASTM C109M2016标准测量砂浆试块的抗压强度。脱模后，将所有样品浸入（201）的饱和氢氧化钙溶液中分别固化3d、7d、28d。利用万能力学试验机（Instron 5567）测量样品的力学强度（如图1所示）。1.2.4 水化产物表征使用X射线衍射仪（
13、PANalytical，荷兰）在30kV和30mA下，在5 和70 之间的2操作下，检查与不同黄原胶掺量的水化产物发展。在设定龄期下取出部分水泥浆图 1 试验装置及样品（a）万能力学试验机装置图（b）力学强度样品制备砂浆功夫Mortar Technology62CHINA CONCRETE 2023.01 NO.163并浸入无水乙醇中48h以停止水化。然后，将样品在80的真空烘箱中干燥并研磨成均匀的粉末。1.2.5 黄原胶结构与粘度表征通过傅立叶变换红外光谱仪（5700，热电分子光谱部，美国）以透射模式记录黄原胶固态光谱，使用传统KBr法，在4000400cm-1范围内观察黄原胶分子结构。通过
14、旋转流变仪（MARSII，ThermoFisher Scientific，德国）测试黄原胶溶液粘度随温度的变化，在振荡模式OSC中固定频率0.5Hz，测量2080下黄原胶粘度的变化。2 结果与讨论2.1 黄原胶分子结构FTIR用于展示黄原胶的分子结构。如图2所示，3487cm-1处的特征峰归属于OH的伸缩振动15；2966cm-1和2200cm-1处的特征峰是由CH2和CH的伸缩振动引起的16；1732cm-1处的峰是由于双键乙酰基的羰基（CO）的伸缩振动；1639.4cm-1和1416.9cm-1处的特征峰均归因于羧基的伸缩振动17；1092cm-1处的吸收带被分配给伸缩振动COC基团18。
15、同时，黄原胶被报道具有优异的金属离子螯合能力（如Ca2+、Al3+、Fe3+等），这意味着黄原胶的缓凝机理与大多数缓凝剂相同，均可以通过钙离子螯合阻碍水化产物的形核与生长。2.2 凝结时间图3显示了在不同温度下黄原胶掺量对OPC凝结时间的调节作用，在不同温度下，随着黄原胶添加量从0增加到0.2wt%，OPC的初凝时间和终凝时间均有不同程度的延长。从图3（a）可以看出，随着黄原胶的加入，OPC的初凝时间从230min（浆料）延长至276min（0.02wt）、318min（0.05wt）和352min（0.2wt），而终凝时间范围为337min至372min（0.02wt%）、396min（0.
16、05wt%）和426min（0.2wt%）。此外，如图3（b）所示，当温度升高至80时，OPC水泥初凝时间从230min（25）下降至180min（80），终凝时间从337min下降至265min。当黄原胶掺量较小（0.05wt%）时，水泥的凝结时间相较于常温均有不同程度的缩短，但比之OPC仍具有缓凝效果；当黄原胶掺量进一步提高后（0.10.2wt%），水泥浆在80下的凝结时间与常温相差无几。这一现象说明黄原胶是一种耐高温的水泥缓凝剂，其缓凝时间与掺量呈正相关。图 2 黄原胶固态红外图谱与结构式（b）黄原胶结构式示意图（a）黄原胶固态红外图谱图 3 不同温度下黄原胶掺量对OPC凝结时间的调节作用（b）80（a）25砂浆功夫Mortar Technology63总163期 2023.01 混凝土世界2.3 流动度通过坍落度试验研究了黄原胶对水泥浆体和易性的影响，结果如图4所示。首先，黄原胶的加入小幅提升了水泥浆体的流动性。但随着黄原胶用量的增加（0.1wt%），水泥浆的流动性急剧下降，甚至低于纯水泥浆。这表明黄原胶对水泥流动性的影响与现有报道的可以提高水泥体系流动性的缓凝剂（如麦芽糖糊精
