低坍損聚羧酸系高效減水劑的合成

摘  要:應(yīng)用高分子設(shè)計(jì)原理,合成了一種低坍損聚羧酸系高效減水劑??疾炝艘l(fā)劑用量,單體配比及反應(yīng)時(shí)問(wèn)對(duì)其分散性能的影響,并用紅外光譜表征了其結(jié)構(gòu)。這類(lèi)聚羧酸系高效減水劑可使新拌混凝土的坍落度一小時(shí)內(nèi)幾乎無(wú)損失。
 
關(guān)鍵詞:聚羧酸系; 高效減水劑; 低坍損
 
 
1 前言
 
  高性能混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐久性及良好的施工性能;對(duì)高層建筑、大跨度橋梁、水下結(jié)構(gòu)物、特長(zhǎng)隧道以及其它一些有特殊要求的工程結(jié)構(gòu)物,有著重要的應(yīng)用價(jià)值,是工程建設(shè)中重要的建筑材料。新拌高性能混凝土必須流動(dòng)性好、可泵性好、可控制坍落度損失,以保證施工的要求。高效減水劑是生產(chǎn)高性能混凝土不可缺少的添加劑。目前國(guó)內(nèi)最常用的高效減水劑仍然是萘系減水劑,這類(lèi)減水劑雖然減水率較高、引氣量小、無(wú)緩凝作用,但最大缺點(diǎn)是坍落度損失大,混凝土運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后。流動(dòng)性大大降低,影響施工。開(kāi)發(fā)減水率高、增強(qiáng)效果好且能有效控制坍落度損失的新型高效減水劑,已成為國(guó)內(nèi)外混凝土外加劑領(lǐng)域研究的新方向。而聚羧酸系高效減水劑,可明顯改善混凝土的流動(dòng)性、降低坍落度損失、大大提高混凝土的工作度,從而達(dá)到制備高性能混凝土的目的。
 
  本文根據(jù)高分子設(shè)計(jì)原理,綜合利用DLVO 電荷排斥效應(yīng)、Mackor空間位阻效應(yīng)在聚合物主鏈上引入一定比例的極性基團(tuán),如羧基(一COOH)、磺酸基(一SO3H)等來(lái)提供靜電斥力;引入聚氧化乙烯支鏈來(lái)提供空間位阻。通過(guò)調(diào)整聚合物主鏈上各基團(tuán)的相對(duì)比例、聚合物主鏈和接枝側(cè)鏈長(zhǎng)度及密度,以達(dá)到最佳的性能。其結(jié)構(gòu)如下所示:
 
    
 
2 試驗(yàn)部分
21 合成及分析
211 主要原料
 
  丙烯酸,化學(xué)純;甲基丙烯酸,化學(xué)純;甲基烯丙基磺酸鈉,工業(yè)品(98%);烯丙基磺酸鈉,分析純;異丙醇,分析純;過(guò)硫酸銨,分析純;聚氧化乙烯甲基丙烯酸酯,自制;30%氫氧化鈉溶液,工業(yè)品。
 
212 聚羧酸系高效減水劑(PC)的制備
 
  在裝有溫度計(jì)、機(jī)械攪拌器、冷凝回流裝置及滴加裝置的四口燒瓶中,加入計(jì)量的去離子水入燒瓶中,充氮?dú)庵脫Q后,在空氣浴上加熱攪拌至反應(yīng)溫度80℃。同時(shí)滴加混合單體、鏈轉(zhuǎn)移劑的水溶液和引發(fā)劑過(guò)硫酸銨的水溶液;滴加完后,再保持恒溫反應(yīng)一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后,降至常溫,并用30%氫氧化鈉溶液中和,使溶液的pH 值大約在7左右,即得到20%左右的聚羧酸系高效減水劑PC。
 
213 紅外光譜(IR)分析
 
  將PC樣品用異丙醇沉淀、水洗再沉淀、后真空干燥,用溴化鉀壓片,采用美國(guó)Nicolet公司Nexus470型紅外光譜儀測(cè)定。
 
214 反應(yīng)體系粘度的測(cè)定
 
  用烏式粘度計(jì)(內(nèi)徑0.47mm),以1.0mol/L的氯化鈉溶液作為溶劑,在(3o±1)℃ 下測(cè)定,用相對(duì)粘度來(lái)表示反應(yīng)體系粘度的大小。相對(duì)粘度用下式計(jì)算:
    η r/ = t/t0
 
  式中 η r—— 相對(duì)粘度;
    t—— 溶劑流經(jīng)毛細(xì)管刻度之間的時(shí)間,秒;
    t0——聚合物溶液流經(jīng)毛細(xì)管刻度之間的時(shí)間,秒。
 
22 性能試驗(yàn)
221 原材料
 
 ?。?)水泥(C):洋房P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;
  (2)粉煤灰(F):武漢青山電廠(chǎng)II粉煤灰;
 ?。?)砂(S):天然河砂,Mx=2.3;
 
 ?。?)碎石(G):粒徑5mm~20mm;
  (5)水(W):自來(lái)水;
 
 ?。?)減水劑:
  萘系高效減水劑FDN(科龍工貿(mào)公司提供);
  聚羧酸系高效減水劑SP(國(guó)外某公司生產(chǎn));
  聚羧酸系高效減水劑PC(自制)。
 
222 水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)定
 
  水泥凈漿試驗(yàn)根據(jù)GB/T8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法>,測(cè)試不同配方所合成的減水劑和水泥凈漿流動(dòng)度值。稱(chēng)取300g水泥,加入一定量的外加劑及87g水(其中包括外加劑中所含的水)。
 
223 混凝土性能測(cè)定
 
  混凝土減水率的測(cè)定參照GB8076—1997,摻入一定的減水劑后減少相應(yīng)的用水量,并保持摻減水劑的混凝土與空白混凝土的坍落度相同(80±10)mm,計(jì)算相應(yīng)的減水率和檢測(cè)混凝土的和易性;測(cè)試混凝土的抗壓強(qiáng)度。
 
3 結(jié)果與討論
31 引發(fā)劑用量的影響
 
  我們選用過(guò)硫酸銨作為此水溶液聚合的引發(fā)劑,引發(fā)劑適當(dāng)?shù)募尤耄刂凭酆衔锏姆肿恿亢蛦误w的轉(zhuǎn)化率,因而也會(huì)引起聚合物的性能變化。過(guò)硫酸銨用量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響如圖1所示。
 
  由圖可見(jiàn),當(dāng)過(guò)硫酸銨用量為2.5%時(shí).凈漿流動(dòng)度達(dá)最大值(236mm),而當(dāng)其用量繼續(xù)增時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度反而降低。當(dāng)引發(fā)劑用量太大時(shí),則共聚物的分子量太低,反而使其對(duì)水泥分散能力大幅度地下降;另一方面引發(fā)劑用量太大時(shí),引發(fā)劑殘基太多,可能也會(huì)影響共聚物的分散性能。因此適宜的引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量為2.5%(以單體總量計(jì))左右。
 
    
 
32 單體比例對(duì)PC減水劑性能的影響
 
  由于本試驗(yàn)中各單體的共聚活性不一樣,其聚合物主鏈上的單體單元的比例與實(shí)際投料比是不一致的。共聚物的性能是由單體鏈節(jié)上所占的比例來(lái)決定的,因此,控制不同的投料比是獲得理想中的共聚物的一種方法。不同投料比對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響如表1:
 
    
 
  由表1可見(jiàn),投料單體比例的不同,共聚物對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度以及損失有著明顯的影響。當(dāng)這幾種單體的摩爾比為56:12:32時(shí),聚羧酸系減水劑PC對(duì)水泥的分散能力最強(qiáng)。這說(shuō)明在該投料條件下,各種基團(tuán)在共聚物中分布趨于合理,協(xié)同發(fā)揮作用,減水劑的分散能力最好。
 
33 反應(yīng)時(shí)間對(duì)PC減水劑性能的影響
 
  在本試驗(yàn)聚合過(guò)程中,單體濃度逐步降低,聚合物濃度則相應(yīng)提高,延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間主要是為了提高轉(zhuǎn)化率,對(duì)分子量的影響較小。反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)體系相對(duì)粘度和聚羧酸系減水劑的分散性能的影響如表2:
 
    
 
  由表2可見(jiàn),反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),反應(yīng)體系相對(duì)粘度逐漸增加,其共聚物減水劑對(duì)水泥的分散效果也迅速增大,這說(shuō)明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),單體轉(zhuǎn)化率在不斷提高;反應(yīng)時(shí)間到6h后,凈漿流動(dòng)度可達(dá)238mm,再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,其摻共聚物減水劑的水泥凈漿流動(dòng)度已無(wú)明顯增加,反而有下降趨勢(shì),可能是由于共聚物上的酯鍵發(fā)生水解所致,因而反應(yīng)時(shí)間為6h左右為最佳。
 
34 重復(fù)試驗(yàn)
 
  在優(yōu)化的反應(yīng)條件下:反應(yīng)溫度為80℃ ,引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量為2.5%;單體比例為甲基丙烯酸:甲基烯丙基磺酸鈉:聚氧化乙烯甲基丙烯酸酯摩爾比為56:12:32時(shí);反應(yīng)時(shí)間為6h下,重復(fù)合成了5個(gè)PC減水劑樣品,分別測(cè)試了其水泥凈漿流動(dòng)度,其水泥凈漿中,PC減水劑摻量0.15%,其結(jié)果見(jiàn)表3:
 
    
 
  從上可看出,5個(gè)PC減水劑樣品的水泥凈漿流動(dòng)度平均值為237.4mm,其可靠性區(qū)間為(237.4±3.57)mm,表明在該優(yōu)化的反應(yīng)條件下,反應(yīng)重現(xiàn)性較好。
 
35 PC減水劑紅外光譜分析
 
    
 
  由圖2可看出,在聚羧酸系減水劑的紅外光譜圖中,3419cm-1、2870cm-1。附近的吸收帶較寬,這是聚氧烷基形成締和氫鍵的伸縮振動(dòng)形成的峰;而1294cm-1、1102cm-1 、1647cm-1、1718cm-1。處是羧基的吸收峰,615cm-1、1039cm-1、1195cm-1處是磺酸基的吸收峰。這說(shuō)明:所合成聚羧酸系減水劑達(dá)到了預(yù)想的結(jié)構(gòu)。
 
36 PC減水劑摻量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響
 
  摻量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響見(jiàn)圖3所示。從水泥凈漿試驗(yàn)結(jié)果看,隨著摻量的增加,初始凈漿流動(dòng)度不斷增加;而且60min后的損失也隨著減少。其結(jié)果表明,該聚羧酸系減水劑PC對(duì)水泥不但具有良好的分散性,同時(shí)也具有良好的分散保持能力。
 
    
 
37 混凝土試驗(yàn)
371 減水率的測(cè)定
 
  由表4可看出,PC減水劑在摻量為0.2%時(shí),與聚羧酸系減水劑SP減水率相當(dāng)。但是與萘系高效減水劑FDN摻量為0.7%的減水率接近,這說(shuō)明合成的聚羧酸系高效減水劑在低摻量的情況下,就可達(dá)較高的減水率。而且也說(shuō)明按目前國(guó)標(biāo)方法不能很好的反應(yīng)聚羧酸系減水劑的綜合性能,這與文獻(xiàn)所述一致。
 
    
 
372 混凝土配合比試驗(yàn)
 
  聚羧酸系高效減水劑具有高的減水作用和優(yōu)異的坍落度保持能力,可以配制工作性能好的混凝土,表5是幾種外加劑配制混凝土的試配結(jié)果。
 
  從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,合成的PC減水劑所配制的混凝土綜合方面的性能都要比萘系高效減水劑FDN要好,與國(guó)外聚羧酸系減水劑SP所配制的混凝土的綜合性能很接近。PC減水劑所配制的新拌混凝土,在1小時(shí)內(nèi)其坍落度幾乎無(wú)損失。
 
    
 
4 結(jié)論
 
 ?。?)合成了聚羧酸系高效減水PC,并用紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征;
 
 ?。?)以水泥凈漿流動(dòng)度為性能衡量標(biāo)準(zhǔn),確定了其最佳反應(yīng)條件為:反應(yīng)溫度為80℃,引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量為2.5%;甲基丙烯酸:甲基烯丙基磺酸鈉:聚氧化乙烯甲基丙烯酸酯摩爾比為56:12:32時(shí);反應(yīng)時(shí)間為6h;
 
 ?。?)該P(yáng)C減水劑配制的混凝土具有優(yōu)異的工作性能,1小時(shí)內(nèi)其坍落度幾乎無(wú)損失;遠(yuǎn)超過(guò)萘系高效減水劑,與國(guó)外聚羧酸系高效減水劑產(chǎn)品性能相當(dāng)。
 
原作者: 王友奎 趙 帆 王洛禮 

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