Na-蒙脱石对聚羧酸减水剂的吸附特性及作用机制研究

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0720

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (2): 390-403.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0720

Na-蒙脱石对聚羧酸减水剂的吸附特性及作用机制研究

李盟¹(), 孔德松¹, 黄腾¹^,²(), 何智浩³, 王恩文⁴, 韦云龙¹

^1.西南科技大学环境与资源学院，绵阳 621010
^2.固体废物处理与资源化教育部重点实验室，绵阳 621010
^3.西华大学应急管理学院，成都 610039
^4.安顺学院资源与环境工程学院，安顺 561000

收稿日期:2025-07-23 修订日期:2025-09-19 出版日期:2026-02-20 发布日期:2026-03-09
通信作者: 黄腾，博士，讲师。E-mail：huangheswust@163.com
作者简介:李盟（2000—），男，硕士研究生。主要从事矿物材料方面的研究。E-mail：l13419383953@163.com
基金资助:
地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金(SKLGP2022K011);地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室开放基金(SKLGP2023K006);贵州省教育厅创新群体项目(黔教合KY字〔2020〕028)

Adsorption Characteristics and Action Mechanism of Na-Montmorillonite on Polycarboxylate Superplasticizer

LI Meng¹(), KONG Desong¹, HUANG Teng¹^,²(), HE Zhihao³, WANG Enwen⁴, WEI Yunlong¹

^1.School of Environment and Resources，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China
^2.Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle，Ministry of Education，Mianyang 621010，China
^3.School of Emergency Management，Xihua University，Chengdu 610039，China
^4.School of Resources and Environmental Engineering，Anshun University，Anshun 561000，China

Received:2025-07-23 Revised:2025-09-19 Published:2026-02-20 Online:2026-03-09

摘要/Abstract

摘要：

混凝土集料的泥（以膨润土等黏土矿物为主）与聚羧酸减水剂（PCE）的竞争吸附会对水泥及混凝土性能产生不利影响，本文旨在探究Na-蒙脱石对三种PCE（JSJ-1、JSJ-2、JSJ-3）吸附行为及水泥性能的影响。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、核磁共振氢谱（¹H-NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）表征PCE分子结构与参数，通过水泥净浆试验测定流动度和凝结时间，结合X射线衍射（XRD）、同步热分析（TG-DSC）等表征手段分析吸附后Na-蒙脱石结构变化及吸附机理。结果表明，由于PCE中存在较大分子基团，在Na-蒙脱石掺量为5%（质量分数）时，水泥净浆才会完全失去流动度。吸附动力学研究表明，Na-蒙脱石对三种 PCE 的吸附均符合准二级动力学模型（R²>0.99），以化学吸附为主，最大吸附量依次为338.98 mg/g（JSJ-1）、294.12 mg/g（JSJ-2）、280.90 mg/g（JSJ-3）。Langmuir 等温线拟合结果显示吸附过程为单分子层均匀覆盖（R²>0.99）。吸附后Na-蒙脱石结构分析证实，PCE侧链嵌入Na-蒙脱石层间形成稳定插层结构，使PCE分解温度区间延迟至200~450 ℃。

关键词: Na-蒙脱石, 水泥, 聚羧酸减水剂, 吸附特性, 热力学, 作用机制

Abstract:

The competitive adsorption between the mud （mainly clay minerals such as bentonite） of concrete aggregate and polycarboxylate superplasticizer （PCE） adversely affects the performance of cement and concrete. The purpose of this paper was to explore the effect of Na-montmorillonite on the adsorption behavior of three kinds of PCE （JSJ-1， JSJ-2， JSJ-3） and cement performance. The molecular structure and parameters of PCE were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy （FT-IR）， nuclear magnetic resonance hydrogen spectroscopy （¹H-NMR） and gel permeation chromatography （GPC）. The fluidity and setting time were measured by cement paste test. The structural changes and adsorption mechanism of Na-montmorillonite after adsorption were analyzed by X-ray diffraction （XRD） and simultaneous thermal analysis （TG-DSC）. The results show that the presence of large molecular groups in PCE makes the cement paste completely lose fluidity when the Na-montmorillonite content is 5% （mass fraction）. The adsorption kinetics study shows that the adsorption of three types of PCE by Na-montmorillonite conforms to the pseudo-second-order kinetic model （R²>0.99）， mainly chemical adsorption， and the maximum adsorption capacity is 338.98 mg/g （JSJ-1）， 294.12 mg/g （JSJ-2）， 280.90 mg/g （JSJ-3）. The Langmuir isotherm fitting results show that the adsorption process is uniformly covered by a monolayer （R²>0.99）. The structure analysis of Na-montmorillonite after adsorption confirms that the PCE side chain is embedded in the interlayer of Na-montmorillonite to form a stable intercalation structure， which delays the decomposition temperature range of PCE to 200 ~ 450 °C.

Key words: Na-montmorillonite, cement, polycarboxylate superplasticizer, adsorption characteristic, thermodynamics, action mechanism

中图分类号:

TQ172.4⁺6

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图/表 19

图1 三种聚羧酸减水剂的红外光谱

Fig.1 Infrared spectra of three types of polycarboxylate superplasticizers

图2 三种聚羧酸减水剂的GPC图谱

Fig.2 GPC spectra of three types of polycarboxylate superplasticizers

图3 三种聚羧酸减水剂的1H核磁图谱

Fig.3 1H nuclear magnetic resonance spectra of three types of polycarboxylate superplasticizers

图4 添加三种聚羧酸减水剂的水泥流动度

Fig.4 Fluidity of cement with addition of three types of polycarboxylate superplasticizers

图5 添加三种聚羧酸减水剂的水泥凝结时间

Fig.5 Setting time of cement with addition of three types of polycarboxylate superplasticizers

图6 Na-蒙脱石对三种聚羧酸减水剂的吸附动力学拟合曲线

Fig.6 Adsorption kinetics fitting curves of Na-montmorillonite on three types of polycarboxylate superplasticizers

表1 吸附动力学参数

Table 1 Adsorption kinetic parameters

Kinetic parameter		PCE type
Kinetic parameter		JSJ-1	JSJ-2	JSJ-3
Quasi-first-order kinetic model	q_e/（mg·g^-1）	18.927 96	0.419 44	14.226 55
	k₁	0.005 88	0.008 38	0.004 27
	R²	0.623 96	0.602 60	0.500 19
Quasi-second-order kinetic model	q_e/（mg·g^-1）	495.049 51	497.512 44	490.196 08
	k₂	0.004 00	0.006 78	0.017 70
	R²	0.999 99	1.000 00	1.000 00

图7 温度及初始浓度对聚羧酸减水剂吸附性能的影响

Fig.7 Effects of temperature and initial concentration on adsorption performance of polycarboxylate superplasticizer

图8 Na-蒙脱石对聚羧酸减水剂的吸附等温模型

Fig.8 Adsorption isothermal model of polycarboxylate superplasticizer by Na-montmorillonite

表2 吸附等温模型参数

Table 2 Adsorption isothermal model parameters

PCE type	Temperature/℃	Langmuir			Freundlich
PCE type	Temperature/℃	q_m/（mg·g^-1）	K_L	R²	1/n	K_F	R²
	25	256.410 3	0.002 3	0.997 7	0.782 7	1.235 3	0.995 6
Na-MMT+JSJ-1	35	338.983 1	0.001 4	0.999 9	0.840 4	0.848 0	0.997 6
	45	327.868 9	0.001 3	0.997 7	0.837 2	0.781 1	0.996 5
	25	215.517 2	0.005 4	0.996 7	0.718 5	2.627 6	0.990 9
Na-MMT+JSJ-2	35	232.558 1	0.003 0	0.995 3	0.795 4	1.330 6	0.987 8
	45	294.117 6	0.001 9	0.998 6	0.843 7	0.950 7	0.993 2
	25	280.898 9	0.001 5	0.996 7	0.860 7	1.096 6	0.993 2
Na-MMT+JSJ-3	35	210.084 0	0.002 2	0.996 5	0.787 2	0.966 2	0.996 1
	45	168.918 9	0.002 5	0.998 5	0.738 3	0.935 8	0.993 3

图9 Na-蒙脱石对聚羧酸减水剂的吸附热力学

Fig.9 Adsorption thermodynamics of Na-montmorillonite on polycarboxylate superplasticizer

表3 吸附热力学参数

Table 3 Thermodynamic parameters of adsorption

Sample	T/K	∆H/（kJ·mol^-1）	∆S/（kJ·mol^-1·K^-1）	∆G/（kJ·mol^-1）
Na-MMT+JSJ-1	293.15			-0.757 3
	303.15	-5.638 2	-0.016 3	-0.695 4
	313.15			-0.427 6
Na-MMT+JSJ-2	293.15			-2.019 7
	303.15	-4.673 0	-0.048 4	-2.008 4
	313.15			-1.840 0
Na-MMT+JSJ-3	293.15			-1.269 7
	303.15	-15.709 7	-0.008 8	-0.834 0
	313.15			-0.299 9

图10 35 ℃时Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂后的红外光谱

Fig.10 Infrared spectra of Na-montmorillonite after adsorption of polycarboxylate superplasticizer at 35 ℃

图11 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的GPC图像

Fig.11 GPC images of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

表4 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的分子量及分布变化

Table 4 Molecular weight and distribution changes of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

Sample	Adsorption state	M_p	M_n	M_w	PDI
Na-MMT+JSJ-1	Before	7 256	6 516	9 804	1.504 6
Na-MMT+JSJ-1	After	13 734	10 748	22 605	2.103 2
Na-MMT+JSJ-2	Before	25 090	21 276	33 413	1.570 5
Na-MMT+JSJ-2	After	9 105	4 066	14 219	3.497 1
Na-MMT+JSJ-3	Before	29 016	23 793	39 881	1.676 2
Na-MMT+JSJ-3	After	11 079	4 019	16 362	4.071 2

图12 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的XRD谱

Fig.12 XRD patterns of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

表5 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的层间距

Table 5 Layer spacing of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

Sample	2θ/（°）	d_（001）/Å
Na-MMT	7.325	12.055
Na-MMT+JSJ-1	7.068	12.497
Na-MMT+JSJ-2	6.534	13.517
Na-MMT+JSJ-3	6.653	13.275

图13 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的XPS分析

Fig.13 XPS analysis of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

图14 Na-蒙脱石吸附聚羧酸减水剂前后的TG-DSC曲线

Fig.14 TG-DSC curves of Na-montmorillonite before and after adsorption of polycarboxylate superplasticizer

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Na-蒙脱石对聚羧酸减水剂的吸附特性及作用机制研究

Adsorption Characteristics and Action Mechanism of Na-Montmorillonite on Polycarboxylate Superplasticizer

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