以淀粉制環(huán)保減水劑
近年來(lái),隨著我國(guó)城市化進(jìn)程加快,商品混凝土成為用量最大和用途最廣的建筑材料。減水劑作為混凝土必不可少的“第五元素”之一,用量也逐年呈遞增趨勢(shì)。
僅2012年,全國(guó)減水劑消費(fèi)總量就超過(guò)500萬(wàn)噸,包括萘系減水劑、聚羧酸系減水劑、脂肪族減水劑、氨基磺酸鹽減水劑和木質(zhì)素減水劑等。其中,有90%以上的減水劑是通過(guò)石油化工、煤化工制備的工業(yè)萘、聚醚、丙酮、苯酚、不飽和酸、硫酸、甲醛等化工原料制成,能源消耗大、碳排放高、適應(yīng)性差。特別是萘系減水劑,產(chǎn)品中還殘余甲醛、雜環(huán)等致癌物質(zhì),應(yīng)用在居住建筑物中將產(chǎn)生嚴(yán)重污染,是危害人們生命健康的“隱形殺手”。
“如何讓減水劑高效又環(huán)?!笔潜本┙üぴ嚎萍脊ぷ髡唛L(zhǎng)期思考的問(wèn)題。在40多年混凝土外加劑研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的基礎(chǔ)上,北京建工院和北京市功能性高分子建筑材料工程技術(shù)研究中心的混凝土外加劑科研項(xiàng)目組另辟蹊徑,通過(guò)研究減水劑分子結(jié)構(gòu)與功能的構(gòu)效關(guān)系基礎(chǔ)理論,在反復(fù)對(duì)比葡聚糖、半纖維素、纖維素等多種具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)的天然高分子聚醚替代品后,將研究重點(diǎn)放在“淀粉”上。
作為一種天然高分子化合物,淀粉可以說(shuō)隨處可見(jiàn)。玉米、馬鈴薯、小麥、稻谷等多種物質(zhì)中都有淀粉的“身影”,可謂是地球上的第二大生物質(zhì),僅玉米淀粉每年就有2500萬(wàn)噸的產(chǎn)量,是人類取之不盡的生物資源,具有完全可降解、綠色無(wú)污染、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。
當(dāng)然,以淀粉為原材料制備減水劑并非首創(chuàng),國(guó)內(nèi)外部分研發(fā)機(jī)構(gòu)之前就有從事相關(guān)研究。但由于淀粉是天然產(chǎn)物,品種多,分子結(jié)構(gòu)差異大,即使同品種產(chǎn)地不同,分子量分布也不同,不像化工產(chǎn)品,具有定量明確的分子結(jié)構(gòu)、分子量和反應(yīng)活性,使得制備中淀粉反應(yīng)效率低、合成工藝繁瑣、性能低等問(wèn)題凸顯,難以形成市場(chǎng)化產(chǎn)品。
“科技成果只有走出試驗(yàn)室,才能成為第一生產(chǎn)力?!北本┙üぴ簩⒌矸刍鶞p水劑的產(chǎn)業(yè)化作為攻關(guān)要點(diǎn),從淀粉改性技術(shù)創(chuàng)新和工藝制備技術(shù)創(chuàng)新出發(fā),通過(guò)制備磺化劑和催化劑,將淀粉分子鏈進(jìn)行定量分割,并接枝強(qiáng)極性親水基團(tuán)和功能鏈,徹底改變淀粉分子結(jié)構(gòu)。
同時(shí),該院還在優(yōu)化減水劑制備工藝上進(jìn)行大膽創(chuàng)新和優(yōu)化,首次將塑料、尼龍等生產(chǎn)中常用的工藝——雙螺桿反應(yīng)擠出工藝引入減水劑制備過(guò)程,極大地提高干物料混合效果和溫度控制穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作,提高生產(chǎn)效率;并利用微波輻射的特殊熱效應(yīng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)反應(yīng)釜加熱,提高淀粉反應(yīng)效率,使生物質(zhì)高效減水劑從理想走向?qū)嶋H。
通過(guò)這種工藝制備出的淀粉基生物質(zhì)高效減水劑對(duì)水泥顆粒的分散性能好,減水率高,0.5%的摻量就可達(dá)到35%的減水效果;堿含量低,可大大降低混凝土堿骨料反應(yīng)的危害程度;成本價(jià)格低,僅為聚羧酸系減水劑的50%、萘系減水劑的90%,且可與萘系減水劑、聚羧酸系減水劑復(fù)配使用,協(xié)同增效作用明顯,對(duì)各種砂石料質(zhì)量、砂含泥量適應(yīng)性很強(qiáng)。
攪拌出的混凝土流動(dòng)性、和易性、可泵性好,保塌時(shí)間長(zhǎng),對(duì)溫度不敏感,即使在南方夏季高溫時(shí)節(jié)也可正常使用,能對(duì)我國(guó)建筑環(huán)保性能、耐久性能和節(jié)能性能提升起到積極推動(dòng)作用。
值得一提的是,該減水劑在生產(chǎn)過(guò)程中,不使用有毒化學(xué)原料和溶劑,不產(chǎn)生廢氣、廢渣和廢水,對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染,特別適合在居民住宅工程中使用。再者,以淀粉為原料,也就使減水劑擺脫了對(duì)石油化工資源的過(guò)度依賴,減少碳排放和環(huán)境污染。假設(shè)以年產(chǎn)50萬(wàn)噸減水劑計(jì)算,每年就可節(jié)省近15萬(wàn)噸石油資源,人類環(huán)境中也可減少約20萬(wàn)噸工業(yè)萘和18萬(wàn)噸甲醛,符合生態(tài)文明社會(huì)對(duì)建筑材料發(fā)展的基本要求。
目前,該生物質(zhì)高效減水劑及制備工藝已通過(guò)由北京市科委組織的專家組評(píng)審,成果達(dá)國(guó)際領(lǐng)先水平。相關(guān)成果也已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),產(chǎn)品在北京、河南、湖南等多家商混攪拌站及南方個(gè)別城市的地鐵工程中得到實(shí)際應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著,市場(chǎng)反饋良好。
據(jù)介紹,北京建工院未來(lái)還將從分子結(jié)構(gòu)的角度深入研究生物質(zhì)減水劑的減水特性和吸附性能,進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出不同種類淀粉的減水劑,如木薯淀粉、紅薯淀粉,避免與人類“搶糧食”,并對(duì)生物質(zhì)減水劑的復(fù)配技術(shù)進(jìn)行完善,擴(kuò)展其應(yīng)用范圍,讓綠色科技影響并改變我們生活的空間,為支持建筑行業(yè)發(fā)展、構(gòu)建資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)作出新的貢獻(xiàn)。
編輯:姜立東
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