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早强型聚羧酸减水剂的合成及性能研究new

添加日期:2017/5/18 17:07:16   作 者:吴佳  来源:   浏览次数:

 

摘要:

聚羧酸减水剂具有掺量低、减水性能优异、保坍性好等优点,在我国应用越来越广泛,而早强型聚羧酸减水剂是其中具有重要作用的一种减水剂。通过聚合物的分子结构设计,选用侧链较长的聚醚大单体及丙烯酸酯类化合物来合成出一种早强型聚羧酸减水剂,通过性能测试,此减水剂具有良好的分散性能以及能够显著提高混凝土的早期强度。

 

关键词:早强;侧链长;分散性

 

1 前言

 

聚羧酸减水剂一种具有高分散、高减水、高保坍等性能的混凝土外加剂,在我国工程应用中十分广泛,特别是在质量和耐久性要求较高的工程中使用,优势尤为突出[1],然后这种外加剂会延缓水泥水化,尤其是在低温环境下,混凝土早期强度发展缓慢,从而限制了聚羧酸减水剂在某些方面的应用,因此这就需要一种能够提高混凝土早期强度的聚羧酸减水剂。

提高聚羧酸减水剂早强性能的途径主要有两个方面:一是将具有早强效果的其他组分与普通的聚羧酸减水剂进行复配;二是通过分子结构设计,制备本身就具有早强效果的聚羧酸减水剂。普通聚羧酸减水剂与具有早强效果的组分复配的产品存在稳定性能差,相容性不好,掺量大等缺点,使应用范围得到限制,所以制备出具有早强效果的减水剂是很有意义的[2]

通过查阅资料研究发现,与普通的聚羧酸减水剂的结构相比,早强型聚羧酸减水剂具有更长的侧链,而主链相对较短。分子的形状也由传统的梳型变成了倒T型,侧链长度远远超过主链的长度,侧链之间的距离也大于普通聚羧酸减水剂的侧链距离,这就使得空间位阻作用增大,改善了分子在水泥颗粒表面的吸附状态,从而促使细小的钙矾石晶体生成,加速了强度的增长,加入丙烯酸酯类化合物能够提高侧链的密度,能够使得分子空间位阻作用增强,从而影响了分散性能[3]。同时,还可减少水泥浆体中自由羧基含量,降低了钙离子的络合,从而加速了水泥矿物中的C3AC3S的水化速率,从而提高混凝土的早期强度。

 

2 试验设计、方法和材料

 

一、 实验试剂及材料

异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG);丙烯酸(AA);丙烯酸酯类化合物;引发剂;链转移剂;P.O42.5普通硅酸盐水泥;标准砂;石子;粉煤灰等。

二、 主要仪器设备

1000ml四口烧瓶;温度计;搅拌器;水泥净浆搅拌机;胶砂搅拌机;压力试验机;电动抗折试验机等。

三、实验合成方法

常温下将一定量的TPEG与水加入四口烧瓶中搅拌溶解,按一定比例配置A料(丙烯酸,丙烯酸酯类化合物,水)和B料(引发剂,链转移剂水)放入恒压漏斗中,分别向四口烧瓶中滴加AB2小时,保温1小时,保温结束后调节pH至中性,得无色透明粘稠状液体即为早强型聚羧酸减水剂。

四、性能测试方法

    水泥净浆流动度,水泥胶砂减水率按GB/T 8077-2012 《混凝土外加剂匀质性试验方法》。试件的抗折,抗压强度按GB/T 17671-2011《水泥胶砂强度检验方法(ISO)法》进行测试,拌合物流动度按GB2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》采用跳桌法测试。

 

3 试验结果与讨论

 

一、 侧链长度对减水剂性能的影响

在酸醚比等各条件相同的情况下,选取几种分子量不同的大单体聚醚来制备几种聚羧酸减水剂进行净浆流动度及胶砂抗压强度对比检测。

大单体种类

净浆流动度/mm

抗压强度/MPa

初始

1h

2h

18h

1d

TPEG2400

240

240

220

6.2

8.3

TPEG3000

260

250

240

7.0

8.9

TPEG5000

270

260

245

7.9

10.2

从上表可以看出侧链分子量越大的,也就是侧链越长的净浆流动度越好,并且胶砂早期强度也越强,这是因为与短侧链的普通聚羧酸减水剂分子结构相比,早强型聚羧酸减水剂侧链更长,空间位阻作用增大,且长的聚氧乙烯侧链更容易吸附在水泥颗粒表面,并且可以让水分更容易进入到水泥颗粒中,保证了水泥的正常水化。同时主链中的羧基与钙离子等形成络合物具有较大的溶解性,为水泥的持续水化提供了条件,水泥水化不会受到阻碍,使得聚羧酸减水剂对水泥水化的延缓作用减小,提高了混凝土的早期强度。所以综上所述,最后选择TPEG5000分子量的侧链来合成早强型减水剂。

二、酸醚比对减水剂性能的影响

在选择了5000分子量的聚氧乙烯醚作为侧链后保持大单体不变,调节丙烯酸的量,也就是调节酸醚比来制备几组聚羧酸减水剂来进行净浆流动度及胶砂抗压强度对比检测。

酸醚比

净浆流动度/mm

抗压强度/MPa

初始

1h

2h

18h

1d

2.5

250

230

220

5.9

7.6

3.0

265

250

240

6.3

9.4

3.5

275

260

255

7.9

10.2

4.0

280

270

260

8.8

11.7

4.5

290

285

275

10.6

15.4

5.0

275

270

260

9.1

12.0

5.5

270

260

255

8.2

10.5

从上表可以看出,随着酸醚比的增加,净浆流动度呈现先增大后减小的趋势,胶砂抗压强度也呈现出先增大后减小的趋势,当酸醚比为4.5时,胶砂的抗压强度达到最大值,这是因为丙烯酸单体和大分子单体比例不同,影响了减水剂的主链长度和分子量的大小。当酸醚比增大时,减水剂分子更容易吸附到水泥颗粒上,但当酸醚比超过一定值之后,聚醚的量相对变少,难以提供较大的空间位阻,不能使水泥颗粒有效的分散,流动度下降且强度下降[4]。只有当丙烯酸的用量合适时,合成出的聚羧酸减水剂才具有合适的侧链密度及适当的引气性,改善了共聚物分子在水泥颗粒表面的吸附状态,从而促使细小的钙矾石晶体生成,加速了混凝土的早期强度的发展。所以综上所述,最佳的酸醚比为4.51

三、丙烯酸酯类化合物对减水剂性能的影响

在确定了聚醚的分子量为5000及酸醚比为4.5后,加入一定量的丙烯酸酯类化合物来制备几组聚羧酸减水剂来进行净浆流动度及胶砂抗压强度对比检测。

 

酸酯比

净浆流动度/mm

抗压强度/MPa

初始

1h

2h

18h

1d

11

260

260

255

10.5

15.2

21

275

275

265

11.0

16.0

31

300

300

295

12.5

17.9

41

290

290

280

11.9

16.9

51

285

280

270

11.4

16.3

61

280

270

265

10.8

15.8

    从上表可以看出,随着酯的量的增加,净浆流动度呈现先增大后减小的趋势,且在酸酯比为31时达到最大,这是因为适当增加丙烯酸酯类化合物的量能使减水剂侧链密度增大,空间位阻作用进一步增强,进而增大了水泥颗粒的分散性,但丙烯酸酯类化合物的量过大时会产生侧链较多,吸附力减弱的情况,因而分散性下降,影响了水泥的水化[5]。所以综上所述,最佳的酸酯比为31

四、混凝土抗压强度测试

将合成出的早强型聚羧酸减水剂样品PC-1与已有的减水剂PC-2PC-3进行混凝土抗压强度检测对比。

样品编号

抗压强度/MPa

18h

1d

7d

28d

空白

5.6

9.4

24.6

33.2

PC-1

18.4

24.7

49.0

68.2

PC-2

10.7

15.8

38.8

57.3

PC-3

13.8

18.9

40.6

62.5

    从上表可以看出,本实验合成的早强型聚羧酸减水剂的早强性能明显优于常规的聚羧酸减水剂的早强性能,且没有损害后期的混凝土强度。

 

4 结论

 

本文通过首先调整减水剂侧链的长短即侧链分子量的大小来确定了最优的聚醚分子量为5000,然后通过调整酸醚比确定了最佳的酸醚比为4.51;最后通过调整酸酯比来找出最适合的比例为31;并通过与普通聚羧酸减水剂对比实验结论,此减水剂能够显著提高混凝土早期强度,并且未损害后期强度,是一款合格的早强型聚羧酸减水剂。

 

参考文献

 

[1]张栓红,张磊,张学强,等.早强保坍型聚羧酸系减水剂的合成及其性能研究[J].硅酸盐通报,20155):1454-1458.

[2]易聪华,黄欣,张智,等.聚羧酸分子结构对水泥砂浆早强性能的影响[J].华南理工大学学报:自然科学版,2011398):93-98.

[3]杜钦.聚羧酸减水剂的早强性能及其机理研究[J].武汉,武汉理工大学研究生院,201215-29.

[4]王子明,刘进强.新型聚羧酸系超早强聚羧酸减水剂试验研究[J].低温建筑技术,20086):15-17.

[5]杜志芹,陈国新,祝烨然,等.早强型聚羧酸系减水剂的制备与性能研究[J].混凝土.20115):94-96.

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