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三乙醇胺对减水剂的改性协同效应

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2017-03-23 09:00:00  属于:产品技术
标签:协同效应
文章摘要:由于聚羧酸减水剂可延缓水泥的水化,使得水泥混凝土早期强度发展缓慢,限制了聚羧酸减水剂在预制混凝土以及寒冷气候等建筑物的使用。针对这个问题,采用三乙醇胺(TEA)与3种聚羧酸减水剂进行复配改性,旨在研究复配改性后的减水剂对水泥分散性、凝结时间、水泥试块强度等性能的影响。结果表明,TEA与聚羧酸减水剂复合使用后,显著提高了水泥试块的早期强度,不同程度地改变了水泥凝结时间,稍微降低了水泥分散性。与萘系减水剂相比,复合改性后的聚羧酸减水剂在水泥试块早强和分散性等方面有优势。
与传统建筑工地现场浇筑混凝土工艺相比,预制构件在节约能源、保护环境、文明施工、结构耐久性等方面非常具有优势,因此,预制构件将是我国今后混凝土产业一个重要的发展方向。在预制构件生产中,拆模时间是提高生产率的制约因素,这需要早强型减水剂来实现。近几年,聚羧酸高效减水剂因其掺量小、减水率高、与水泥兼容性好受到大家青睐,更重要的一个特点是它可以在主链上添加具备不同作用的基团,因此,它可以集多种功能于一体或者特具某种性能以适应不同用途。

三乙醇胺对减水剂的改性协同效应

  目前,国外已经将早强型减水剂的研究热点转移到聚羧酸系减水剂上。在国内, 预制混凝土主要应用的是萘系高效减水剂。对于早强型聚羧酸减水剂的合成研究也逐渐成熟,虽然有文献报道有科研机构已经合成出早强型聚羧酸减水剂, 但是目前还很少应用到预制混凝土中  。本文对现有聚羧酸减水剂进行复配,来实现聚羧酸减水剂替代萘系减水剂以达到应用于预制构件混凝土中早强型减水剂的要求。

1实验
 
1.1原材料
 
(1)减水剂:本实验选用4种减水剂,其中3种为目前市场常用的聚羧酸减水剂,另一种是目前在预制构件中常用的高浓萘系减水剂。4种减水剂的匀质性指标见表1。
(2)三乙醇胺:工业级,浅黄色黏稠液体,稍有氨味,易溶于水、乙醇,呈碱性。由于三乙醇胺具有掺量少、副作用小,低温早强作用明显,而且有一定的后期增强作用的特点,因此,选用三乙醇胺作为与聚羧酸减水剂进行复配的早强剂。
(3)水泥:采用冀东P·O42.5R水泥,其化学成分见表2,性能指标见表3。

1.2试验仪器
 
水泥净浆搅拌机:NJ-160A型,厂;水泥净浆流动度截锥圆模:上部内径(36±0.5)mm,下部内径(60±0.5)mm,高度(60±0.5)mm;分析天平:SartoriusBL1500、SartoriusBS210S;电子天平,FA2004N型,精度0.0001g,称量范围0~200g;数显式电热恒温干燥箱:101-2A型,最小温度读数1℃,温度范围0~200℃;水泥强度试模;凝结时间测定仪。

1.3试验方法
 
水泥净浆流动度:参照GB8077—87《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试,温度为(20±1)℃。水泥凝结时间:参照GB/T1346—2001进行测试。水泥试块强度:采用纯水泥做水泥试块,水灰比为0.29,测试试块12h、1d、3d龄期的强度。

2结果与讨论

2.1掺减水剂水泥性能测试

2.1.1不同减水剂对水泥净浆流动度的影响

选用3类聚羧酸减水剂PC1、PC2、PC3和高浓萘系减水剂FDN-A,选择冀东水泥作参考,水灰比为0.29,聚羧酸减水剂折固掺量为0.2%(以水泥质量计,下同),萘系减水剂折固掺量为0.8%,水泥净浆初始流动度及经时损失的测试结果见图1。

从图1可以看出,3种掺聚羧酸减水剂的水泥浆体流动度以及保持性均比掺萘系减水剂要好。3种聚羧酸减水剂中,掺PC-2的水泥浆体初始流动度最大,其次是PC-1,掺PC-3的最小。但是对于水泥浆体分散保持性来说,掺PC-1和PC-3的水泥浆体基本无损失,甚至有增大趋势,而掺PC-2的水泥浆体损失较大。

2.1.2不同减水剂对水泥凝结时间的影响

不同种类PC及萘系减水剂对水泥凝结时间的影响见表4。
表4数据显示,掺PC1、PC2、PC3以及FDN-A萘系减水剂的水泥均有不同的缓凝效果,其中掺萘系减水剂缓凝效果最小,对水泥的凝结时间影响比较小,其初凝时间延迟1h5min,终凝时间延迟1h;而聚羧酸减水剂对水泥凝结时间影响比较大。在这3种聚羧酸减水剂中,掺PC-2对水泥的初终凝时间影响最大,其初凝时间和终凝时间均延迟7h15min;其次是PC-1,其初凝时间延迟6h5min,终凝时间延迟6h15min;初终凝时间影响最小的是PC-3,其初凝时间延迟3h30min,终凝时间延迟3h35min。聚羧酸减水剂对水泥具有显著的缓凝效果,主要是由于聚羧酸减水剂中羧基充当了缓凝成分,R—COO-与Ca2+离子作用形成络合物,降低了水泥浆体中Ca2+离子的浓度,延缓Ca(OH)2形成结晶,减少C-H-S凝胶的形成,对水泥的初期水化产生抑制作用,延缓了水泥水化的速率。

2.1.3不同减水剂对水泥试块强度的影响
 
在不掺任何早强组分的情况下,先测试掺不同种类PC及萘系减水剂对水泥试块强度的影响。其中水灰比为0.29,聚羧酸减水剂折固掺量为0.2%,萘系减水剂折固掺量为0.8%,测试结果见图2。
从图2可以看出,不管掺萘系减水剂还是掺聚羧酸减水剂的水泥试块,在12h及1d时的强度均比纯水泥要低。这主要是由于上述任何一种减水剂对水泥均有缓凝效果(见表4)。在几种减水剂中,掺FDN-A水泥试块的1d、3d强度均要比掺3种聚羧酸减水剂的水泥试块要高;而在3种聚羧酸减水剂中,掺PC-2与PC-1水泥试块的各龄期强度差不多但均稍低于掺FDN-A,而掺PC-3的水泥试块各龄期强度最差。

2.2三乙醇胺对水泥基本性能的影响

为了明确三乙醇胺与聚羧酸减水剂的协同影响,在研究三乙醇胺和聚羧酸减水剂复合改性对水泥性能的影响之前,首先对掺三乙醇胺水泥的凝结时间和不同龄期水泥试块强度进行测试,研究三乙醇胺对水泥凝结时间和早期强度的影响。水灰比为0.29,测试结果见表5。
 
由表5可以看出,与纯水泥对比,掺三乙醇胺的水泥有轻微的促凝效果,其初凝和终凝时间都有部分提前,但变化均不大。然而,掺三乙醇胺的水泥试块强度却发生巨大变化,特别是12h和1d强度比纯水泥的强度要高得多。这主要是由于在三乙醇胺分子中存在N原子,N原子有一对未共用电子,很容易与金属离子形成共价键,发生络合,与金属离子形成较为稳定的络合物。这些络合物在溶液中形成了许多的可溶区,从而提高了水化产物的扩散速率,缩短水泥水化过程中的潜伏期,提高早期强度。

2.3PC与三乙醇胺复配后对水泥性能的影响

在以上试验的基础上,将三乙醇胺和3种聚羧酸减水剂进行复配,3种聚羧酸减水剂PC1、PC2、PC3与三乙醇胺复配后的减水剂记为PC-1′、PC-2′和PC-3′。观察聚羧酸减水剂与三乙醇胺复配改性后是否具有协同作用。复配改性后的减水剂对水泥净浆流动度、凝结时间及水泥试块强度的影响分别见图3、图4和表6。其中聚羧酸减水剂折固掺量为0.2%,三乙醇胺的掺量为0.03%。
从图3可以看出,三乙醇胺与3种聚羧酸减水剂复配改性后,对掺聚羧酸减水剂的水泥净浆初始分散性和保持性均有影响。对水泥净浆初始分散性来说,三乙醇胺的加入对PC-2影响不大,而对PC-1和PC-3影响较明显。其中掺PC-2′与掺PC-2的水泥净浆初始分散性相比,初始流动度均为310mm;PC-1与三乙醇胺复合后,水泥净浆初始流动度从295mm降到260mm;PC-3与三乙醇胺复合后,水泥净浆初始流动度从260mm降到200mm。对水泥净浆保持性来说,加入三乙醇胺后,3种聚羧酸减水剂保持分散性能也有不同变化。其中掺PC-1′的水泥净浆随时间呈现先降低后增加的趋势,由初始的260mm,降至30min的200mm,1h后增至220mm;掺PC-2′的水泥净浆随时间逐渐降低,1h后失去流动性;掺PC-3′的水泥净浆随时间下降趋势更明显,30min后失去流动性。综合水泥净浆初始分散性和保持分散性结果可知,3种聚羧酸减水剂加入三乙醇胺进行改性后,PC-1的适应性最好,PC-3最差。

比较表6和表4的数据可知,三乙醇胺对3种聚羧酸减水剂复配改性后,对掺聚羧酸减水剂水泥的凝结时间也有一定的影响,并且不同种类聚羧酸减水剂在加入三乙醇胺进行改性后,其对水泥的凝结时间有不同变化。其中,在加入三乙醇胺之后,掺PC-1′水泥的初凝及终凝时间较掺PC-1均有提前,而掺PC-2′和PC-3′水泥的初凝及终凝时间较掺PC-2和PC-3却有所延后。

比较图4和图2数据可知,三乙醇胺对3种聚羧酸减水剂复配改性后,对掺聚羧酸减水剂的水泥试块强度影响显著。其中,加入三乙醇胺后,3组掺复合减水剂的水泥试块12h强度与掺纯聚羧酸减水剂比较影响不大;对水泥试块的1d强度来说,掺PC-1′、PC-2′较掺PC1、PC2增加明显,掺PC-3′的水泥试块1d强度较掺PC3变化不大;对水泥试块的3d强度来说,掺入3组复合聚羧酸减水剂的水泥试块均比掺纯聚羧酸减水剂有明显提高。

综上所述,在聚羧酸减水剂中加入三乙醇胺进行复配改性,其对水泥的净浆分散性、凝结时间、水泥试块强度等方面产生很大的影响。其中PC-1加入三乙醇胺后,掺此复合减水剂水泥的净浆分散性、凝结时间、水泥试块强度等方面较掺纯PC-1的改善效果均比较理想。因此可认为,三乙醇胺与PC-1进行复配改性后,与PC-1具有协同作用。可能原因主要是:对于水泥吸附能力来说,表面阴离子浓度较高的PC-1的吸附作用要比PC-2、PC-3好。三乙醇胺具有早强作用,在C3A-CaSO4-H2O体系中能促进C3A的水化,加快钙矾石的生成[11]。而早期形成的钙矾石吸附PC-2与PC-3要比PC-1强,从而导致掺入三乙醇胺的PC-2与PC-3的流动度经时损失下降更快。因此,PC-1在加入三乙醇胺后仍能保证水泥浆体有良好的塑性,三乙醇胺加速了水泥的水化速率,二者之间作用互补,协同效应显著。

因此,选取PC-1′与FDN-A进行比较,结果见图1~图4及表4、表6。分析数据可知,掺PC-1′水泥的初始分散性及保持性明显比掺FDN-A好;掺PC-1′水泥的初凝和终凝时间较掺FDN-A有所延后;掺PC-1′水泥的12h强度与掺FDN-A相差不多,但其1d及3d强度却明显优于掺FDN-A的水泥试块。

3结论
 
(1)掺PC-1和PC-3水泥的净浆初始分散性及保持性较好,掺PC-2水泥的初始分散好但保持性较差;3种聚羧酸减水剂对水泥均有缓凝作用,缓凝效果为PC-2>PC-1>PC-3;掺3种聚羧酸减水剂对不同龄期水泥试块强度的影响为:12h均无强度,1d和3d强度影响大小为PC-2>PC-1>PC-3。
(2)掺三乙醇胺的水泥具有轻微的促凝作用,三乙醇胺对水泥试块12h及1d强度的提高比较明显。
(3)与三乙醇胺复配后的减水剂对水泥净浆初始分散性和保持性的影响为:PC-1′>PC-2′>PC-3′;对水泥凝结时间来说,掺PC-1′水泥的初凝和终凝时间比掺PC-1有所提前,而掺PC-2′和PC-3′水泥的初凝和终凝时间比掺PC-2和PC-3有所延后;对水泥试块强度来说,复配后的减水剂对水泥试块的12h强度影响不大,而1d强度、3d强度增加明显。
(4)与目前使用的FDN-A减水剂比较,复配后的减水剂在水泥分散性、水泥试块强度等方面的作用均优于FDN-A。并且与萘系减水剂比较,复合减水剂还具有不含氯离子、硫酸根离子、碱含量低等优点。因此,使用三乙醇胺与聚羧酸减水剂进行复配改性,是实现聚羧酸减水剂达到应用于预制构件混凝土及寒冷气候建筑用早强型减水剂要求的有效手段。


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