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浅析早强快凝型聚羧酸减水剂的制备与性能

来源:石家庄市海森化工有限公司_【官网】  日期:2016-11-16 09:00:00  属于:产品技术
标签:减水剂
文章摘要:为满足聚羧酸减水剂在某些有早强要求的建筑工程中应用,合成了早强快凝型聚羧酸减水剂。通过正交试验得到分散性良好的聚羧酸减水剂,其最佳配比为n(TPEG)∶n(MA)∶n(乙酸乙烯酯)=0.05∶0.3∶0.1。另外,采用AM取代部分MA,得出取代20%MA对提高混凝土早强效果最佳。通过与其它3种样品比较,掺自制早强快凝型聚羧酸减水剂的混凝土具有较短的凝结时间,较低的含气量和较好的流动性,还可明显提高混凝土的早期强度。
聚羧酸减水剂具有掺量低、减水性能优异、保坍性好等优点,在我国工程中应用越来越广泛,特别是在质量和耐久性要求较高的国家重点工程中使用,优势尤显突出。然而这种外加剂会延缓水泥水化,尤其在低温环境下,早期强度发展缓慢,从而限制了聚羧酸减水剂在某些建筑工程中的应用。因此,我国建筑行业迫切需要具有较高早期强度的聚羧酸减水剂。实现聚羧酸减水剂早强功能的技术途径有2种:一种是合成聚合物本身具有很好的早强性能,另外一种是合成常规的聚羧酸减水剂,通过复配早强组分达到早强。

研究发现,增加侧链长度有助于加快水泥分散体系的早期水化速率,进而提高水泥混凝土的早期强度,所以本试验选择侧链较长的甲基烯丙基聚氧乙烯醚(TPEG)作为制备减水剂的主要原材料。另外,由于复配早强组分存在掺量大、不易控制和相容性差等问题,所以本试验研究采用第1种方案,依据自由基聚合反应原理,研究了早强快凝型聚羧酸减水剂的合成工艺,并制得了工艺操作简单、方便易行、容易工业化生产的早强快凝型聚羧酸减水剂。

1试验
1.1合成原材料及试验仪器

  合成原材料:甲基烯丙基聚氧乙烯醚(TPEG),相对分子质量为4200,工业级;顺丁烯二酸酐(MA),分析纯;丙烯酰胺(AM)、乙酸乙烯酯,分析纯;十二硫醇,化学纯;巯基丙酸,化学纯;双氧水、氢氧化钠,分析纯,西陇化工股份有限公司
主要合成试验仪器:四口烧瓶、调温电热套、电动搅拌器、蠕动泵等。

1.2减水剂的合成方法

  在装有调温电热套、电动搅拌器、温度计、蠕动泵的四口烧瓶中,将单体甲基烯基聚氧乙烯(TPEG)和底水按照一定比例投入,加热至40℃时搅拌完全溶解,加入乙酸乙烯酯和引
发剂双氧水溶液,加热到一定温度后恒温。通过滴加MA和AM组成的单体混合液以及十二硫醇和巯基丙酸组成的水溶液,3~4h滴加完毕,保温反应1h,反应结束后冷却,用40%NaOH溶液中和pH值至6~8,并加水稀释至固含量为40%。

1.3性能测试
1.3.1混凝土试验材料

  水泥,洋房P·O42.5;粉煤灰,Ⅱ级灰;砂,细度模数2.7的中砂;石子,粒径5~35连续级配碎石;水:自来水。普通聚羧酸系高性能减水剂(PC),具有掺量低、减水率高、混凝土工作性好和环保等特点,固含量为40%,pH值为6.5。
1.3.2试验方法
净浆流动度测试参照GB8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》,减水剂掺量为水泥质量的0.11%(折固计);混凝土减水率、凝结时间、含气量和抗压强度试验参照GB8076—2008《混凝土外加剂》进行测试,减水剂掺量为胶凝材料质量的0.15%(折固计)。

2结果与讨论
2.1减水剂组成配比正交试验

  在反应温度、体系浓度、引发剂、物料投加方式等因素均相同时,考虑3种主要原料对减水剂分散性能的影响,正交试验方案与结果分析见表1。
 
表1可以得出,对于水泥分散性的影响由大到小依次为:TPEG>乙酸乙烯酯>MA。
选用侧链较长的单体甲基烯基聚氧乙烯(TPEG)作为主要原料,聚羧酸减水剂引入聚氧乙烯和聚氧丙烯侧链,使接枝侧链较长,空间位阻作用增大,改善了共聚物分子在水泥颗粒表面的吸附状态,减水率提高;但过多侧链会导致其共聚物分子在水泥浆体中不能很好地伸展,从而使减水剂在水泥颗粒表面的吸附作用力不足,不利于水泥拌合物分散。乙酸乙烯酯的用量直接影响减水剂分散性能,用量增加有利于分子结构中的憎水基团增加,使得亲水基团和憎水基团达到合适的比例,分散性提高,但超过一定量后,会使得分子结构中的憎水基团进一步增多,导致分散性能下降。所以,合成聚羧酸高性能减水剂的最佳组成摩尔配比为n(TPEG)∶n(MA)∶n(乙酸乙烯酯)=0.05∶0.3∶0.1。

2.2AM取代部分MA对减水剂早强性能的影响

  由于减水剂分子中的酰胺结构对保持水泥浆体流动性有良好作用,并能促进铝酸三钙的水化,加快钙矾石的生成[4],所以考虑用AM取代部分MA来提高早强效果,试验结果如表2所示。
由表2可见,随着AM用量的增加,减水剂分子结构中氨基的比例增加,混凝土减水率下降,其早期强度呈先增加后减小的趋势,且AM具有提高混凝土早期强度的效果。减水率下降的原因可能是AM代替了部分MA,使得拌合物中羧酸根离子数目减少,所以吸附水泥颗粒的数量相应变少。AM取代部分MA能对混凝土起到早强效果的原因解释如下,减水剂分结构中酰胺基能促进铝酸三钙的水化,加快钙矾石和CSH凝胶的生成,从而提高早强效果,但是其存在最优掺量。所以AM取代20%MA对提高混凝土早强效果最佳。

2.3早强型聚羧酸减水剂对混凝土凝结时间的影响

  在相同的环境温度条件下,对普通聚羧酸减水剂(PC)、自制早强快凝型聚羧酸减水剂、某市售早强型聚羧酸减水剂以及不加减水剂的空白样品进行混凝土凝结时间试验。混凝土配合比为:m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)=270∶95∶793∶1052,试验结果见图1。
从图1可以看出,掺有自制早强快凝型聚羧酸减水剂的混凝土凝结时间较短,其初凝时间比不掺减水剂的空白混凝土缩短了90min,终凝时间缩短了84min。其初凝时间比掺有普通聚羧酸减水剂的混凝土缩短了102min,终凝时间缩短了123min。其初凝时间比掺有某市售早强聚羧酸减水剂的混凝土缩短了19min,终凝时间缩短了15min。所以,自制早强快凝型聚羧酸减水剂可以加速水泥硬化,从而使混凝土能够有较好的早强性能。

2.4早强型聚羧酸减水剂对混凝土工作性能和强度的影响

  在相同环境温度条件下,对掺与不掺早强型聚羧酸减水剂混凝土性能进行测试,考察减水剂对混凝土工作性能和强度的影响,混凝土配合比为:m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)=270∶95∶772∶1066,试验结果见表3。
由表3可以看出:
(1)在相同的减水剂掺量条件下,混凝土的坍落度和扩展度越大,其初始工作性能越好,含气量越大。由此可知,聚羧酸减水剂的加入会增加混凝土的含气量,不掺聚羧酸减水剂的混凝土含气量最低,仅0.9%,而掺有普通聚羧酸减水剂的混凝土含气量最大,达到4.6%。掺有自制早强快凝型聚羧酸减水剂的混凝土含气量比掺有某市售早强型聚羧酸减水剂的低0.7个百分点,但是两者的初始工作性能相差不大。
(2)混凝土的含气量大,其早期强度会降低,说明较低的含气量有利于增强混凝土的早期强度,结果一致。掺自制早强快凝型聚羧酸减水剂混凝土的1d、3d、7d和28d抗压强度比分别为218%、198%、153%、136%;掺某市售早强型聚羧酸减水剂混凝土的1d、3d、7d和28d混凝土抗压强度比分别为195%、183%、151%、135%;掺普通聚羧酸减水剂混凝土的1d、3d、7d和28d抗压强度比分别为190%、172%、146%、132%。由此可知,掺自制早强快凝型聚羧酸减水剂混凝土的1d、3d、7d和28d抗压强度都比掺某市售早强型聚羧酸减水剂和普通聚羧酸减水剂的高。但是值得注意的是,1d、3d、7d混凝土的强度发展与掺某市售早强型聚羧酸减水剂和普通聚羧酸减水剂相比优势较大,而28d的强度发展差别不大。这说明自制早强样品只是改善了水泥的初期水化环境,加快了水泥水化诱导期的结束。
实验结果表明,自制早强快凝型聚羧酸减水剂具有较低的含气量,可明显提高混凝土的早期强度。

3结语

  (1)通过正交试验考查3种主要原料对水泥分散性能影响因素的大小,得到了分散性良好的聚羧酸减水剂,其最佳组成摩尔配比为n(TPEG)∶n(MA)∶n(乙酸乙烯酯)=0.05∶0.3∶0.1。利用减水剂分子中的酰胺结构能促进水泥水化,采用AM取代部分MA来提高混凝土的早期强度,得出AM取代20%MA对提高混凝土早强效果最佳。
(2)通过对4种样品混凝土凝结时间的测试结果表明,掺自制早强快凝型聚羧酸减水剂混凝土的凝结时间较短,其初凝和终凝时间都较对比样提前,说明其可加速水泥硬化。
(3)混凝土性能试验表明,与其它3种样品比较,掺自制早强快凝型聚羧酸减水剂混凝土具有较低的含气量和较好的工作性,还可明显提高混凝土的早期强度。

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