高適應(yīng)性聚羧酸保坍劑的合成及性能研究

錦威kpfjw 2016-10-07

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來源《混凝土》2015年第八期

【作者】岳彩虹；劉軍；朱炎寧；艾洪祥；

【機構(gòu)】中建西部建設(shè)股份有限公司；

【摘要】以基業(yè)長青聚醚大單體(BTL-PEG)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯磺酸鈉(SMAS)和基業(yè)長青保坍型功能助劑(HH)為不飽和單體,過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑,巰基乙酸(TGA)為鏈轉(zhuǎn)移劑,共聚合成高適應(yīng)性的聚羧酸保坍劑。研究表明,在n(AA)∶n(HH)∶n(BTL-PEG)=1.5∶2.7∶1,SM AS用量為大單體用量的1%,APS用量為單體總質(zhì)量的0.6%,TGA用量為單體總量的0.2%,反應(yīng)溫度為50℃,反應(yīng)時間為3 h的條件下合成的保坍劑在低摻量下有較好的坍落度保持能力,與水泥有較好的適應(yīng)性,與減水劑復(fù)配后效果明顯優(yōu)于單摻。更多還原

【關(guān)鍵詞】聚羧酸；保坍劑；水泥凈漿流動度；復(fù)配；

隨著中央新疆工作座談會的召開，新疆地區(qū)經(jīng)濟迎來井噴式發(fā)展，建筑業(yè)進入爆發(fā)期，各地施工企業(yè)紛紛涌入新疆，而目前新疆地區(qū)混凝土生產(chǎn)施工控制技術(shù)較為一般，并且由于新疆地區(qū)氣候干燥、晝夜溫差較大，新拌混凝土坍落度損失快，容易產(chǎn)生收縮、干縮裂縫，這些都制約著新疆地區(qū)混凝土行業(yè)向更高的層次邁進。

混凝土坍落度發(fā)生損失的原因多種多樣，比如水泥中C₃A含量、水泥細(xì)度、砂子含泥量以及泥組分等^[1-3]。從外加劑角度來說主要原因在于隨著水泥水化的不斷進行，減水劑被水泥顆粒或水化產(chǎn)物包裹，空間位阻效應(yīng)和電荷排斥作用逐漸減弱，造成新拌混凝土坍落度的不斷損失^[4,5]。

本試驗研制了一種高適應(yīng)性聚羧酸保坍劑，設(shè)計分子中含有極性基團和非親水性基團，可在堿性環(huán)境下逐步緩慢水解出具有減水作用的羧基和羥基，對于保持混凝土和易性，保證混凝土施工的正常進行具有顯著作用。
1 保坍劑的制備與實驗方案

1.1 主要原料與儀器

基業(yè)長青聚醚大單體(BTL-PEG，2400)，工業(yè)級；丙烯酸(AA)，工業(yè)級；甲基丙烯磺酸鈉(SMAS)，工業(yè)級；過硫酸銨(APS)，工業(yè)級，；巰基乙酸(TGA)，工業(yè)級；氫氧化鈉，工業(yè)級；基業(yè)長青保坍型功能助劑(HH)。

水泥，P·O 42.5R青松水泥；粉煤灰，紅雁池二電廠Ⅱ級灰；?；郀t礦渣，中建西部建設(shè)烏市分公司；細(xì)骨料，采用天然水洗砂，屬于I區(qū)粗砂，細(xì)度模數(shù)為3.5；粗骨料，采用(5～20)mm，(20～40)mm連續(xù)級配的卵石；外加劑，采用自制減水劑(Y-JS)，減水率達(dá)28%以上。

JJ-1電動攪拌器；水泥凈漿攪拌機，NJ-160A，；單臥軸實驗室混凝土攪拌機，HJW-60。
1.2 保坍劑的制備
在四口燒瓶中先加入BTL-PEG水溶液, 在該水溶液中加入一定量的甲基丙烯磺酸鈉水溶液，攪拌溶解20 min，至完全溶解；加熱升至50℃開始滴加引發(fā)劑過硫酸銨水溶液和基業(yè)長青保坍助劑HH、丙烯酸、鏈轉(zhuǎn)移劑的水溶液，滴加時間控制在2h，再繼續(xù)保溫1 h，冷卻加30%的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5~7.0，加入適量水配成40%的水溶液，即得保坍劑。

1.3 實驗方案

(1) 探討單體摩爾比、反應(yīng)溫度、引發(fā)劑用量及TGA摻量對保坍劑保坍效果的影響。

(2) 探討該保坍劑Y-BT與各種水泥的適應(yīng)性，選擇了3種具有代表性的水泥，對其配制混凝土的保坍性進行測試。
(3) 考察該保坍劑Y-BT在混凝土中的保坍效果及摻保坍劑后混凝土的相關(guān)性能，包括混凝土減水率、抗壓強度。
(4) 通過與減水劑Y-JS復(fù)配的方式對該保坍劑Y-BT進行改進，使其更好地應(yīng)用于工程^[4]，并結(jié)合上述水泥適應(yīng)性測試結(jié)果，探索推廣應(yīng)用保坍劑的可能性。

2 性能測試及表征

2.1 凈漿試驗

水泥凈漿流動度測定參照GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進行。水灰比為0.29，減水劑折固摻量為0.15%。

2.2 混凝土試驗

混凝土實驗參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行，其中水泥采用青松P·O 42.5R水泥。

2.3 混凝土外加劑相容性試驗

混凝土外加劑相容性試驗參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行。其中，試驗所用水泥為新疆天山P·O 42.5水泥、天宇華鑫P·O 42.5水泥、青松P·O 42.5R水泥和順康達(dá)P·O 42.5水泥。

3 結(jié)果與討論

3.1 單體摩爾比對保坍劑保坍效果的影響

BTL-PEG、AA、SMAS是合成保坍劑主要單體，固定SMAS用量為BTL-PEG的1%，研究AA與聚醚單體BTL-PEG摩爾比的影響，不同酸醚摩爾比對保坍效果的影響實驗結(jié)果見圖1。

由圖2可見，1h后的水泥凈漿流動度隨著保坍助劑摻量的提高不斷增大，因為基業(yè)長青保坍助劑分子中含有極性基團(-OH)，能夠通過化學(xué)鍵的作用吸附在水泥顆粒表面，還可通過親水作用使水泥表面形成水化膜，分散性增強^[6]。同時，保坍助劑分子鏈中含有酯基，隨著水泥的水化，水泥漿呈堿性，酯鍵在堿性環(huán)境下水解向水泥漿提供-COOH離子，增強水泥顆粒表面吸附，使水泥分散性增加。當(dāng)n(AA):n(HH):n(BTL-PEG)=1.5:2.7:1時所合成的保坍劑1h后凈漿流動度最大，達(dá)到290mm。但是，當(dāng)AA和保坍助劑摻量過大時，因AA和保坍助劑自身會發(fā)生自聚，造成聚合物粘度增大失去其分散效果，致使1h水泥凈漿流動度降低。

3.2 反應(yīng)溫度對保坍劑保坍效果的影響

取n(AA):n(HH):n(BTL-PEG)=1.5:2.7:1，SMAS用量為BTL-PEG的1%，APS用量為單體總質(zhì)量的0.6%，TGA用量為單體總量的0.2%，滴定時間不變，考察反應(yīng)溫度對保坍效果的影響實驗結(jié)果見圖3。

聚合溫度對單體的活性及鏈引發(fā)反應(yīng)有著重要影響。當(dāng)反應(yīng)溫度過低時，單體活性較低，引發(fā)劑分解速率低，聚合反應(yīng)不能很好的進行，使保坍劑有效成分減少；當(dāng)反應(yīng)溫度過高時，引發(fā)劑分解速度過快，聚合反應(yīng)速度太快引起暴聚現(xiàn)象，破壞反應(yīng)正常進行^[7]。由圖3可見，50℃是最佳的反應(yīng)溫度，摻保坍劑1h水泥凈漿流動度達(dá)300mm (該凈漿初始流動度為0)。

3.3 引發(fā)劑摻量對保坍劑保坍效果的影響

取n(AA):n(HH):n(BTL-PEG)=1.5:2.7:1，SMAS用量為BTL-PEG的1%，TGA用量為單體總量的0.2%，滴定時間不變，反應(yīng)溫度為50℃，考察APS用量對保坍效果的影響實驗結(jié)果見圖4。

TGA在聚合反應(yīng)中作為鏈轉(zhuǎn)移劑來控制分子量的大小。若鏈轉(zhuǎn)移劑摻量太小，聚合反應(yīng)分子量過大，從而造成分子只來那個分布太寬，發(fā)生交聯(lián)；鏈轉(zhuǎn)移劑加入量過多，則會造成分子質(zhì)量太小，影響保坍劑的分散性。由圖5可見，TGA用量為單體總質(zhì)量的0.22時，摻保坍劑1h凈漿流動度達(dá)290mm (初始流動度為0)。

3.3 混凝土外加劑相容性試驗
混凝土外加劑相容性試驗參照GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行，適用于含減水組分的各類混凝土外加劑與膠凝材料、細(xì)骨料和其他外加劑的相容性試驗。保坍劑Y-BT與本單位自主合成的普通聚羧酸減水劑Y-JS復(fù)配后進行外加劑相容性試驗，所用Y-JS為淡黃色液體，固含量約40%，減水率可達(dá)28%以上。試驗結(jié)果見下圖3、圖4。

由圖6和圖7可知Y-BT與試驗所用的3種水泥適應(yīng)性結(jié)果良好，砂漿擴展度在10min明顯降低后均不同程度的出現(xiàn)了增大，而單獨采用Y-JS的則砂漿擴展度損失較大，這是由于當(dāng)只有Y-JS時，減水劑由于沒有有效的保坍組分，水泥水化速度快，砂漿失去塑形的時間也快，擴展度不斷減小，而當(dāng)Y-BT剛進入水泥漿體內(nèi)部時，在水泥漿體堿性環(huán)境下發(fā)生單體水解，前10min水解速率較慢，水解的單體量也不足，所以會發(fā)生擴展度變小的現(xiàn)象，隨著水解單體量的不斷增加，釋放出的功能團足夠多，因此砂漿可以保持長時間的擴展度增長而不損失。

3.4 混凝土性能測試
將保坍劑Y-BT與本單位自主合成的聚羧酸減水劑Y-JS復(fù)配后，與Y-JS進行混凝土相關(guān)性能測試，混凝土試驗配比見下表1，結(jié)果見圖8及圖9。

由圖8和圖9可知，與單摻Y-JS坍落度一直降低相比，復(fù)配樣品在60min后才會出現(xiàn)坍落度損失現(xiàn)象，并且120min相對初始坍落度只損失了30mm，這說明Y-BT可以明顯改善了混凝土的保持坍落度的能力，這與外加劑適應(yīng)性的結(jié)果和原因是一致的。同時可以看出Y-JS復(fù)配Y-BT后與單摻Y-JS相比對抗壓強度影響不大。

4 結(jié)語
（1）通過對影響聚羧酸超保坍劑聚合反應(yīng)的主要因素進行探討，確定制備高適應(yīng)性聚羧酸保坍劑的最佳反應(yīng)條件：取n(AA):n(HH):n(BTL-PEG)=1.5:2.7:1，SMAS用量為BTL-PEG的1%，APS用量為單體總質(zhì)量的0.6%，TGA用量為單體總量的0.2%，反應(yīng)溫度為50℃，滴定時間為2h，保溫時間為1h。

（2）最佳反應(yīng)條件下合成的保坍型聚羧酸減水劑Y-BT與不同品種的水泥適應(yīng)性良好，通過復(fù)配普通聚羧酸減水劑Y-JS后，可明顯改善混凝土保持坍落度的能力，并且對抗壓強度影響不大。

參考文獻(xiàn)：

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