早強(qiáng)型聚羧酸高性能減水劑的合成及性能研究

楊曉峰，熊衛(wèi)鋒

(北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司,北京101309)

聚羧酸系減水劑作為繼萘系、密胺系、脂肪族系和氨基磺酸鹽系減水劑之后研制生產(chǎn)成功的新型高效減水劑,具有摻量低、減水率高、坍落度保持性好、收縮率小、與水泥和摻合料適應(yīng)性相對(duì)較好、增強(qiáng)效果明顯等一系列突出的性能。同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程中不使用甲醛和不排出廢液、SO2-4和Cl-含量低、環(huán)保性能突出，目前已廣泛應(yīng)用于市政、鐵路、公路、港口、橋梁、水電等工程領(lǐng)域[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)供應(yīng)的通用型產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品的差距已越來(lái)越小,但長(zhǎng)期以來(lái)缺乏早強(qiáng)型的聚羧酸系減水劑方面的研究, 這對(duì)聚羧酸系減水劑在普通預(yù)制混凝土構(gòu)件和高強(qiáng)管樁混凝土中的推廣應(yīng)用十分不利。

近年來(lái)，鐵路、公路、地鐵等諸多工程建設(shè)在如火如荼地進(jìn)行著，這些工程中預(yù)制混凝土的用量巨大，因此，研究適應(yīng)于預(yù)制混凝土，能夠明顯提高混凝土早期強(qiáng)度、加速模板周轉(zhuǎn)速度的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑具有良好的應(yīng)用前景。由于聚羧酸系減水劑比萘系減水劑減水率高, 可降低膠凝材料用量, 從而提高混凝土的彈性模量、降低混凝土收縮開(kāi)裂的傾向。然而,預(yù)制混凝土又要求混凝土具有較好的早期強(qiáng)度發(fā)展速率, 以提高模板周轉(zhuǎn)率, 或滿足低溫條件下的強(qiáng)度發(fā)展, 將預(yù)制混凝土的生產(chǎn)期延長(zhǎng)至深秋甚至冬季。而高強(qiáng)混凝土管樁是近年來(lái)發(fā)展極快、應(yīng)用極廣的高強(qiáng)混凝土制品，其具有強(qiáng)度等級(jí)高、承載力大、抗沖擊性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已在諸多工程中進(jìn)行使用。對(duì)于預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)管樁的生產(chǎn)來(lái)說(shuō), 更是希望能省卻蒸壓養(yǎng)護(hù)甚至蒸養(yǎng)環(huán)節(jié), 實(shí)現(xiàn)所謂的零能耗。由于其優(yōu)越的性能特點(diǎn)和高技術(shù)指標(biāo)，這就要求一種粘聚性好、早強(qiáng)、引氣均勻穩(wěn)定且較小的減水劑。早強(qiáng)型聚羧酸系減水劑可通過(guò)直接合成或與早強(qiáng)組分復(fù)配而成[2,3]。

本文采用水溶液聚合法, 將兩種不同分子量的TPEG與市售的丙烯酸(AA)和甲基丙烯磺酸鈉(SMAS)等共聚合成了一種早強(qiáng)型聚羧酸系減水劑PC-1, 并通過(guò)混凝土試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了初步的評(píng)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 合成實(shí)驗(yàn)原材料、儀器

合成實(shí)驗(yàn)所用原材料包括: 聚氧丙烯醚TPEG-1：遼寧產(chǎn),聚合度為45；聚氧丙烯醚TPEG-2：遼寧產(chǎn)，聚合度為54；丙烯酸(AA)：工業(yè)級(jí)，湖南產(chǎn)；甲基丙烯磺酸鈉( SMAS)：工業(yè)級(jí)，湖南產(chǎn)；過(guò)硫酸銨（APS）：工業(yè)級(jí)，湖南產(chǎn)；中和試劑：乙二胺溶液，工業(yè)級(jí)，湖南產(chǎn)；去離子水：自制。

所用儀器包括: 數(shù)顯攪拌器, 四口燒瓶, 溫度計(jì), 冷凝回流管等。

1.2 早強(qiáng)聚羧酸減水劑PC-1的合成方法

在四口瓶中投入聚氧丙烯醚(TPEG)、適量的水,加熱升溫至一定溫度，加入甲基丙烯磺酸鈉，攪拌均勻后，分別滴加丙烯酸和引發(fā)劑溶液,待滴加完畢后,保溫反應(yīng)到最佳時(shí)間后停止加熱;加入中和試劑進(jìn)行中和,將pH值調(diào)整到7.0。

1.3 性能測(cè)試試驗(yàn)

1.3.1 凈漿和混凝土試驗(yàn)原材料

混凝土性能試驗(yàn)采用冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。摻合料為S95礦渣粉和II級(jí)粉煤灰。細(xì)集料為細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂; 粗集料為5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石。聚羧酸系減水劑分別為Sika公司的20HE, 自制早強(qiáng)型聚羧酸減水劑PC1和自制通用聚羧酸減水劑PC2。水為自來(lái)水。

1.3.2 水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)定

按照GB/ T8077 - 2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中測(cè)定水泥凈漿流動(dòng)度的方法,稱取水泥300g ,減水劑摻量(折固)0.2 % ,加入87g 水(其中包括外加劑中所含的水)。

1.3.3 混凝土性能測(cè)定

混凝土減水率的測(cè)定參照J(rèn)G/T223《聚羧酸系高性能減水劑行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》,摻入1.0 %(20 %含固量)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?；炷翍?yīng)用性能試驗(yàn)參照GB50081- 2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

在反應(yīng)溫度、體系濃度、引發(fā)劑、物料投加方式等因素都相同下，考察單體用量對(duì)聚羧酸減水劑分散性能的影響，正交設(shè)計(jì)及測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1結(jié)果可以得出,各種原材料對(duì)摻有聚羧酸減水劑的水泥漿體流動(dòng)性的影響大小為:TPEG＞MAS ＞AA。

在聚羧酸減水劑引入PEO 側(cè)鏈,會(huì)使聚羧酸減水劑的空間位阻作用增大,減水率提高,但側(cè)鏈密度太大時(shí)會(huì)影響大單體的反應(yīng)活性,使聚合物的主鏈變短,從而使減水劑在水泥顆粒表面的吸附力減弱,水泥拌合物的流動(dòng)性損失變快。甲基丙烯磺酸鈉的用量直接影響減水劑分散性,用量增加有利于分散性提高,但超過(guò)一定量后,由于其自身的阻聚作用，會(huì)使聚合物的分子量下降，并最終導(dǎo)致分散性能隨之下降。當(dāng)聚合度分別為54和47的兩種TPEG混合使用時(shí),會(huì)顯著提高減水劑的分散及分散保持性能。由于丙烯酸比較活潑,當(dāng)其用量超過(guò)一定范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致聚合物分子量過(guò)大而降低其分散性能，所以合成高效減水劑的最佳配比條件為T(mén)PEG-1∶TPEG-2∶AA∶MAS =1∶3∶16∶2 。

表1 減水劑組成配比正交實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)所采用的混凝土配合比如表2所示。

2.2.1 混凝土減水率

稱取水泥4.5kg，混凝土配合比為水泥∶砂子∶石子=1∶2.19∶3.73，分別摻加V20HE-20、PC1 和PC2，配制相同坍落度的混凝土（80±10）mm，與基準(zhǔn)混凝土相比用水量減少情況來(lái)計(jì)算相應(yīng)的減水率。

從表3 中可以看出，PC-1 具有較高的減水率，而且摻量低。其之所以有如此高的減水率是和它本身的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)的，其主鏈上的羧基官能團(tuán)和磺酸基官能團(tuán)提供了較強(qiáng)的吸附作用，側(cè)鏈上的聚氧丙烯基使減水劑產(chǎn)生的立體位阻作用增強(qiáng)，即使水泥粒子表面很快形成C3A 的水化產(chǎn)物層也無(wú)法將這些側(cè)鏈、枝鏈全部覆蓋，水泥粒子也就難以再次凝聚，故對(duì)水泥顆粒具有顯著的分散作用。[6]

2.2.2 摻加不同外加劑混凝土早期強(qiáng)度

表2 試驗(yàn)配合比

表3 混凝土減水率測(cè)定

表4 摻不同外加劑的混凝土早強(qiáng)強(qiáng)度對(duì)比

從表4可知早強(qiáng)聚羧酸減水劑PC-1的減水率明顯高于西卡V20HE-20的減水率，摻加PC-1的混凝土早期強(qiáng)度比摻加通用型聚羧酸減水劑的PC-2有明顯提高，但比西卡V20HE-20早期強(qiáng)度稍低。

3 結(jié)論

采用水溶液聚合法, 將兩種不同分子量的TPEG與市售的丙烯酸(AA)和甲基丙烯磺酸鈉(SMAS)等共聚合成了一種早強(qiáng)型聚羧酸系減水劑PC-1, 其減水率比自制通用型聚羧酸減水劑稍低些但明顯高于西卡V20HE-20減水率，但早強(qiáng)效果稍遜。

[1]孫振平, 王玲 . 如何安全高效地應(yīng)用聚羧酸系減水劑[ J].混凝土, 2007, 212( 6 ): 35- 38.

[2]王子明, 劉進(jìn)強(qiáng), 崔素萍. 早強(qiáng)型聚羧酸系高性能減水劑及其制備方法: 中國(guó), CN101289292A[ P].

[3]王子明, 劉進(jìn)強(qiáng). 新型聚羧酸系超早強(qiáng)復(fù)合減水劑試驗(yàn)研究[ J]. 低溫建筑技術(shù), 2008, ( 6): 15- 17.

[4]王杰, 劉欣等. 復(fù)合早強(qiáng)型聚羧酸減水劑在混凝土預(yù)制構(gòu)件中的應(yīng)用及其效益評(píng)估[ J]. 商品混凝土, 2009, ( 5):27- 28.

[5]張新民, 李國(guó)云等. 早強(qiáng)快凝型聚羧酸減水劑的合成和應(yīng)用[ J]. 混凝土, 2009, ( 4): 87- 89.