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降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

时间:2020/8/3 9:00:16 来源: 点击次数:1868

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

丁庆军1.2 ,陈健1.2

(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉430070;2.武汉理工大学材料科学与工程学院,武汉4300702)

摘要:以TPEG-1800、AA、AM、丙烯酸乙酯为主要原料,共聚合成降黏型减水剂UC-01,对其进行了IR结构表征,同时与普通结构的UC-100减水剂进行GPC、溶液表面张力、稳泡能力、水泥水化温升、水泥净浆流变性能、不同比例高石粉含量机制砂混凝土性能对比。结果表明降黏型减水剂UC-01具有较低的相对分子质量和较窄的相对分子质量分布;配制的溶液表面张力更低、稳泡效果更好;能降低水泥水化放热温升;有效的降低水泥净浆的黏度;在不同比例高石粉含量机制砂中都能更好的降低混凝土的黏度和收缩。

关键词:降黏型减水剂;表面张力;水化热温升;流变性能;干缩;机制砂混凝土

1引言:

混凝土是人类目前最大宗的建筑结构材料[1.2],砂作为混凝土主要的原材料之一,随着现代社会建筑事业的发展以及有些地区石多砂少的状况,我国的天然砂已经处于供不应求的局面。随着我国基础设施建设的日益发展,由于天然砂资源逐渐短缺、价格上涨,以及山区交通不便,公路建设材料运输困难,同时出于环境保护的需要,应用机制砂替代天然砂已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势[3]。

机制砂在生产过程中,不可避免地要产生大量的石粉。我国绝大部分地区严重缺水,受资源与环境的限制,机制砂无法大规模通过水洗降低石粉含量,实际工程使用的机制砂石粉含量一般是远远超过国标的中的规定。随着机制砂在交通工程的广泛应用,机制砂也逐渐从普通混凝土向高强、高性能混凝土中应用。高强高性能混凝土主要是通过降低水胶比的方式来提高混凝土强度,但过高的石粉含量带来混凝土的需水量增大,混凝土发黏,流速慢、混凝土收缩大等问题,普通结构的聚羧酸减水剂在机制砂混凝土中不能很好的解决,限制了机制砂混凝土的发展,因此开发出一种降黏型减水剂具有重要的意义。

为了实现高石粉含量机制砂混凝土黏度下降、流速加快、混凝土收缩减小,利用 TPEG-1800、AA、AM、丙烯酸乙酯为主要原料,共聚合成降黏型减水剂,通过与普通结构减水剂进行水泥水化放热、表面张力、流变性能测试等,考察其相应性能,并通过混凝土实验研究其对高石粉含量机制砂混凝土性能的影响。

2 实验用原材料与试验方法

2.1 实验原材料

(1)合成原材料

异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG,相对分子质量为1800)、丙烯酸(AA)、丙烯酸乙酯、丙烯酰胺、双氧水、维生素C、3-巯基丙酸、32%氢氧化钠溶液(NaOH),均为工业级,自产普通型减水剂UC-100(采用TPEG-2400分子量异戊烯醇聚氧乙烯醚、AA合成。)

(2)测试原材料

水泥:华新P·O42.5;机制砂:细度模数3.0,石粉含量12%和18%;粗骨料:碎石,5~25 mm连续级配;矿粉:武新S95;粉煤灰:Ⅱ级;水:自来水。

(3)仪器设备

四口烧瓶;蠕动泵;K11质控型表面张力仪:德国KRUSS;PTS-12S数字式水化热测定仪:武汉博太斯特仪器设备有限公司;TYE-2000H型压力试验机:江苏无锡建仪仪器机械有限公司; Waters 1515三检测器联用色谱仪(IR),美国Waters公司;Viskomat NT 流变仪:德国Schleibinger公司生产;NJ-NES非接触式混凝土收缩变形仪器:北京耐久伟业科技有限公司

1.2 合成工艺

往装有搅拌器的500 ml 四口烧瓶中加入计量好的1800分子量的TPEG 大单体和水,待TPEG全部溶解后,加入部分丙烯酸和双氧水,在常温下分别滴加丙烯酸、丙烯酸乙酯和丙烯酰胺的混合水溶液以及维生素C与3-巯基丙酸的混合水溶液,滴加3~4 h,再恒温1h,反应结束后加入32%氢氧化钠调节pH值至6.0~7.0,即得到的降黏型减水剂UC-01

1.3 表征与性能测试

1.3.1 红外光谱(IR)分析

将微量烘干后的减水剂与溴化钾共同研磨后压成薄片,采用红外光谱仪进行测试分析。

1.3.2凝胶色谱(GPC)分析

实验选用Waters 1515三检测器联用色谱仪,流动相为0.1mol/LNaNO3溶液,流动速度0.5mL/min。

1.3.3表面张力测试

采用KRUSS公司的K11质控型表面张力仪测试不同浓度的减水剂溶液的表面张力。

1.3.3稳泡性能测试

将合成的UC-01减水剂和UC-100减水剂配制成0.4%的水溶液,将其置如200ml具塞量筒中,剧烈摇晃25次后,记录泡沫的体积及随时间的变化情况。

1.3.4 水化温升测试方法

水化温升测试方法按照GB/T 12959 – 2008 《水泥水化热测定方法》进行,采用仪器为PTS-12S数字式水化热测定仪。外加剂折固掺量为0.15%,每3 min记录1次数据。

1.3.5 水泥浆体流变测试

采用Viskomat NT流变仪测试水泥浆体的流变性能,选用w/c = 0.26, 选定合适的转子,在不同的转速下测定水泥净浆的黏度

1.3.6 混凝土应用性能

按照JGJ 281—2012《高强混凝土应用技术规程》进行机制砂混凝土拌合物性能测试,采用倒坍落度桶测试混凝土拌合物的排空时间来评价产品配制混凝土黏度情况;混凝土的坍落度、扩展度、力学性能GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能测试方法》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能测试方法》中规定的方法测定混凝土性能,;混凝土收缩试验依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》进行,将混凝土搅拌好后直接装入预先准备好的非接触式变形仪中,采用非接触法测定混凝土的收缩变形,实时记录相应变形数据,测试均在(20±2)℃,相对湿度(60±5)%环境进行。

3 实验结果与讨论

3.1 红外光谱分析

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

对合成的降黏型减水剂UC-O1进行红外光谱分析,结果如图1所示。

由图1可知,在3423.7、2895.6、1716.2、1610.6、1455.8、1360.2、1108.6等位置出现多处吸收峰,其中在3423.7cm-1处出现了1个吸收峰,此峰为-OH的特征吸收峰:2895.6 cm-1、1455.8cm-1处出现了吸收峰,分别为CH3-、-CH2-的C-H伸缩振动峰:在1716.2 cm-1处出现吸收峰,此峰为酯键伸缩振动峰,说明减水剂中引入了丙烯酸乙酯:在1610.6 cm-1处出现了吸收峰,此峰为酰胺的吸收峰,据此推断,AM成功参与了反应:在1108.6 cm-1处为脂肪醚的伸缩振动峰,此处为大单体TPEG-1800的醚键,由此可见,合成的降黏型减水剂与设计相符。

3.2凝胶色谱分析

两种结构减水剂凝胶色谱的检测结果见表1.

由表1可知,合成的UC-01相对分子质量比UC-100明显降低,重均分子量和数均相对分子量分别是UC-100的0.449倍,0.535左右,相对分子质量分布相对较窄,具有理想的化学结构。

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

由图可知,UC-01降黏型减水剂和普通型减水剂UC-100的表面张力随着溶液浓度增大而减小,这是因为两种减水剂表面活性剂分子有向表面吸附的趋势,降低了气-液界面能,因而都能降低溶液的表面张力,随着溶液的浓度增加,这种趋势更加明显。但在在不同的浓度条件下,降黏型减水剂降低表面张力作用更加明显,因降黏型减水剂UC-01引入了丙烯酸乙酯小单体增加憎水基团,以调节分子结构的HLB值,使得UC-01减水剂的疏水性加强,相同浓度下UC-01溶液的表面张力相比UC-100的表面张力降低了20%以上。

  1. 3.3.2 稳泡能力测试

将配制0.4%浓度的UC-01和UC-100减水剂溶液进行稳泡性能测试,测试结果表2

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

由图3可以看出:掺入UC-01降黏型减水剂相比UC-100普通型减水剂样品,其初期水化温升更高,但随着时间的延长,其水化温升逐渐小于掺UC-100样品,在22小时左右水化两者水化温升相当,随后掺UC-01样品的水化温升值逐渐高于UC-100样品;掺UC-01样品的水化温升的峰值对比掺普通型减水剂UC-100降低了3.5%,水化温升的峰值出现时间也延迟了6.2小时。

UC-01降黏型减水剂因采用1800分子量大单体合成,对比采用2400分子量大单体合成的UC-100减水剂可知,其侧链对羧基的包裹作用较差,在同质量掺量情况下,因其平均分子量较小,分子数量也较多,大量减水剂分子吸附在水泥颗粒表面,使得水泥颗粒迅速分散,水泥的溶解速率迅速提高,表现为初始水化热增加较大;水化温升值更高,但随时间的延长,由于存在较多的分子数,大量的减水剂分子被吸附在水泥颗粒和晶胚表面,增加了颗粒表面吸附层的密度,从而延缓了水化的进行,降低了水化放热的速率和量[4]。

3.5 不同结构减水剂对水泥净浆流变性能的影响

使用Viskomat NT仪器测试水泥浆体的流变性能,选用w/c = 0.26, 选定合适的转子,在不同的转速下测定水泥净浆流体的黏度变化如图4所示。

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

从图4中可以看出,随着剪切速率的增加,水泥浆体均呈现出黏度降低的趋势,流体为剪切变稀型,符合宾汉姆流体的状态构成。与普通减水剂UC-100对比,在各剪切速率下,降黏型减水剂具有显著的降黏作用,能大幅度降低浆体的黏度。降黏型减水剂能降低水泥浆体黏度的原因,一方面是其在浆体中的细小气泡起了较好的稳定效果,这些细小的气泡在浆体剪切过程中可以起到润滑减少阻力作用[5],因而能有效降低浆体的黏度;另一方面,降黏型减水剂UC-01的侧链长度比传统UC-100要短,因此在水泥净浆系统中成型的水膜的厚度相应减少,能够释放更多的自由水,实现水泥净浆黏度的降低。

3.6 不同结构减水剂对高石粉含量机制砂混凝土的性能影响

3.6.1 不同结构减水剂对高石粉含量机制砂黏度及强度影响

将降黏型减水剂UC-01、普通减水剂UC-100(含固量均为40%),控制高石粉含量机制砂混凝土的初始扩展度均为(600±20)mm,进行倒坍落度筒排空时间实验、测定其7d、28d强度,并测定混凝土的收缩。

A组混凝土实验采用机制砂石粉含量为12%,B组混凝土实验采用机制砂石粉含量为18%,混凝土试验配合比(kg/m3)为:m(水泥): m(粉煤灰):m(矿粉):m(机制砂):m(石子)::m(水)=380:60:80:700:1082:158,混凝土性能测试结果见表1。

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

从表3中可以看出,增加石粉含量从12%增加到18%,两种不同结构减水剂配制的混凝土流速都会减慢,倒坍时间都会增加。石粉含量为12%的机制砂混凝土中,使用UC-01配制的混凝土倒坍时间为5.6s,使用UC-100普通型减水剂配制的混凝土倒坍时间为8.7s,使用UC-01减水剂的混凝土倒坍时间减少了35.6%;石粉含量为18%的机制砂混凝土中,使用UC-01配制的混凝土倒坍时间为5.9s,使用UC-100配制的混凝土倒坍时间为9.3s,使用UC-01减水剂的混凝土倒坍时间减少了36.6%;在不同比例石粉含量下降黏减水剂UC-01都能有效降低机制砂混凝土的黏度,且并不影响混凝土7d、28d强度。

3.6.2 不同结构减水剂对混凝土收缩性能的影响

当混凝土凝结以后,裂缝是导致混凝土破坏主要的因素之一,收缩又是引起混凝土裂缝产生的主要因素之一[6]。因此,对于混凝土的实际工程应用,必须重视混凝土的收缩变形问题,通过对A-1、A-2、B-1、B-2成型后的混凝土进行混凝土收缩实验,检测得到如图 5 所示高石粉含量机制砂混凝土从塑性到硬化过程中完整的膨胀周期。

降黏型减水剂的合成及其对高石粉机制砂混凝土性能的影响

从图5中可以看出,石粉含量从12%增加到18%,使用UC-01减水剂和UC-100减水剂配制的混凝土收缩都会增大。在相同石粉含量情况下,使用UC-01降黏型减水剂配制的混凝土在不同龄期收缩值都小于使用普通减水剂UC-100的机制砂混凝土,表明UC-01降黏型减水剂能有效降低高石粉含量机制砂混凝土的收缩。降黏型减水剂UC-01中引入丙烯酸乙酯疏水性单体,为聚合物的主链提供了疏水基团,使得孔的表面具有疏水性,能够减小孔表面和孔中水的表面张力,从而减小了混凝土的收缩[7]。

4 结论:

(1) 通过分子结构设计,采用TPEG-1800、AA、AM、丙烯酸乙酯为主要原料,共聚合成降黏型减水剂UC-01,通过GPC测试发现UC-01具有相对较低的相对分子质量和相对分子质量分布。

(2) 与普通结构UC-100减水剂对比,UC-01配制的溶液表面张力更低、起泡能力更强、稳泡效果更好;通过水化放热温升实验可以看出,掺UC-01样品的水化温升的峰值掺UC-100样品降低了3.5%,水化温升的峰值出现时间也延迟了6.5小时。

(3) 与普通结构减水剂UC-100对比,在各剪切速率下,UC-01减水剂具有显著的降黏作用,能大幅度降低浆体的黏度。

(4) 通过混凝土实验可以看出,在不同比例的高石粉含量下,随着石粉含量的增加混凝土的黏度会变大,混凝土的收缩会增大,掺加UC-01减水剂能够有效的降低低混凝土的黏度和收缩,其对混凝土的7d、28d强度没影响。

参考文献

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[6] Chengjin Ning.Study on key performance of sandconcrete with high strength and high performance mechanism [D]. Guangzhouuniversity,2016.[宁成晋.高强高性能机制砂混凝土关键性能研究[D].广州大学,2016.]

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