聚羧酸增效劑在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中的應(yīng)用研究

張栓紅，張明，賈吉堂，賈守偉，張培林，王惠忠

（山東華偉銀凱建材科技股份有限公司，山東 淄博 256410）

聚羧酸增效劑在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中的應(yīng)用研究

張栓紅，張明，賈吉堂，賈守偉，張培林，王惠忠

（山東華偉銀凱建材科技股份有限公司，山東 淄博 256410）

制備了一種大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土用聚羧酸增效劑，并研究了摻加該聚羧酸增效劑的工業(yè)廢渣粉混凝土的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，制備的聚羧酸增效劑分散激發(fā)組分中，單體的最佳摩爾比為：n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1；在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中，聚羧酸增效劑的最佳添加量為膠凝材料用量的3.5%；在此最佳摻量下，可以用工業(yè)廢渣粉替代80%的水泥，早期強(qiáng)度大大提高，28 d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土非常相近。

混凝土；工業(yè)廢渣粉；聚羧酸增效劑

節(jié)約水泥用量和利用工業(yè)廢渣作為水泥和混凝土摻合料的資源化一直都是世界性的研究熱點(diǎn)。作為工業(yè)廢渣粉主要成分的礦粉和粉煤灰主要由氧化硅和氧化鋁組成，具有潛在的水化活性。但由于礦粉和粉煤灰的硅氧和鋁氧三維空間——網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)玻璃體中的硅氧鍵和鋁氧鍵比較牢固，當(dāng)粉煤灰單獨(dú)與水拌和時(shí)，水化反應(yīng)極慢，水化產(chǎn)物數(shù)量較少，得不到足夠的膠凝性能，影響了大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土的強(qiáng)度。要提高大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土的性能，就必須通過(guò)激發(fā)劑破壞玻璃體表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al和Si—O—Al網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1-10]。

發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)廢渣的利用率達(dá)到70%以上，而我國(guó)的利用率低于40%。國(guó)外應(yīng)用工業(yè)廢渣激發(fā)劑已有幾十年的發(fā)展歷史，國(guó)內(nèi)起步較晚而且應(yīng)用效果不理想。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的激發(fā)劑產(chǎn)品大都采用無(wú)機(jī)材料或者無(wú)機(jī)與有機(jī)材料通過(guò)簡(jiǎn)單復(fù)配而成，存在摻量大、成本高、穩(wěn)定性低、激發(fā)效果和適應(yīng)性差的問(wèn)題[11-12]。

為此，本文研制了一種能有效地激發(fā)工業(yè)廢渣粉活性的混凝土用大摻量工業(yè)廢渣粉增效劑，從而實(shí)現(xiàn)在保證混凝土性能的前提下，可以用工業(yè)廢渣粉代替80%的水泥，早期強(qiáng)度明顯提高，且制法簡(jiǎn)單合理，易于生產(chǎn)，配制的混凝土抗壓強(qiáng)度高、耐久性能好。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

甲基烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）：遼寧奧克化學(xué)股份有限公司；甲基丙烯酸（MAA）：工業(yè)級(jí)，山東開(kāi)泰實(shí)業(yè)有限公司；烯丙基磺酸鈉、過(guò)硫酸鉀（K2S2O8）：試劑級(jí)，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司；亞硫酸氫鈉（NaHSO3）：試劑級(jí)，天津光復(fù)化學(xué)試劑公司；巰基類(lèi)鏈轉(zhuǎn)移劑：試劑級(jí)，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；三乙醇胺：分析純，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司；二羥乙基乙二胺：分析純，蘇州聯(lián)勝化學(xué)有限公司；硫氰酸鈉、硫氰酸鎂：分析純，淄博市博山雙田化工制造有限公司；糖蜜：青州宏盛科技。

山鋁牌P·O42.5水泥；臨朐中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6～3.0，含泥量＜2.0%；邊河碎石，5～25 mm連續(xù)級(jí)配，含泥量＜1.0%；萊蕪電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰；張店鋼鐵廠礦粉，S95級(jí)。

1.2 試驗(yàn)儀器

恒溫水浴鍋：HH-S1，金壇市晶玻試驗(yàn)儀器廠；數(shù)顯電動(dòng)攪拌器：JJ-1A，常州普天儀器制造有限公司；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)：NDJ-1，上海安德儀器設(shè)備有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：龍口市電爐總廠；水泥凈漿攪拌機(jī)：NJ-160A，無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司；混凝土試驗(yàn)用強(qiáng)制式攪拌機(jī)：HJW60型，無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司；微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)：WHY-2000，上海華龍測(cè)試儀器有限公司。

1.3 分散激發(fā)組分的制備

向四口燒瓶中加入一定量的HPEG大單體和去離子水，升溫至40℃后，加入一定量的SAS和NaHSO3，攪拌10min。開(kāi)始向燒瓶?jī)?nèi)滴加共聚單體溶液A和引發(fā)劑溶液B。A料由MAA、鏈轉(zhuǎn)移劑和一定量水配成，3.0 h加完；B料由K2S2O8和一定量的水配成，3.5 h加完。B料加完后，保溫1.0 h，降溫，加堿調(diào)節(jié)pH值至7～8，得到固含量為40%的產(chǎn)品，作為聚羧酸增效劑的分散激發(fā)組分，待用。

1.4 聚羧酸增效劑的制備

將一定量的水、硫氰酸鈉、硫氰酸鎂和糖蜜按順序加入四口反應(yīng)瓶中，攪拌10 min，使其完全溶解；再向燒瓶中依次加入分散激發(fā)組分、三乙醇胺、二羥乙基乙二胺，攪拌至其混合均勻，即得固含量為20%的聚羧酸增效劑產(chǎn)品。

1.5 混凝土性能測(cè)試方法

按GB 8076—2008《混凝土外加劑》和GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期耐久性能試驗(yàn)方法》對(duì)混凝土的強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行測(cè)試?；鶞?zhǔn)混凝土配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）=330∶760∶1120∶210，大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中聚羧酸增效劑添加量為膠凝材料用量的3%～5%，用水量以達(dá)到混凝土初始坍落度為（80±10）mm時(shí)為準(zhǔn)。相對(duì)耐久性（200次）測(cè)試時(shí)，將28 d齡期的受檢混凝土試件快速凍融循環(huán)200次后，測(cè)試動(dòng)彈性模量保留值。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚羧酸鹽減水劑中原料配合比的確定

在混凝土用大摻量工業(yè)廢渣粉增效劑成分中，聚羧酸鹽減水劑作為分散激發(fā)組分起到主要的作用。增效劑必須能破壞工業(yè)廢渣粉玻璃體表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al 和Si—O—Al網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還要具有一定的吸附分散能力。

研究了HPEG、MAA與SAS最佳摩爾比對(duì)大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土性能的影響。根據(jù)前期試驗(yàn)探索，選擇HPEG、MAA 和SAS的摩爾比分別為1∶3∶1、1∶4∶1、1∶5∶1、1∶3∶0.5，研究了4種配合比條件下，大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土的抗壓強(qiáng)度及相對(duì)耐久性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。其它試驗(yàn)條件完全相同，試驗(yàn)所用的增效劑用量為膠凝材料的3.5%，大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土配合比為：m（水泥）∶m（礦粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石子）=70∶155∶105∶760∶1120，用水量以達(dá)到基準(zhǔn)混凝土初始坍落度（80±10）mm為準(zhǔn)。

由表1可見(jiàn)，當(dāng)聚羧酸鹽減水劑中n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1時(shí)，制得的聚羧酸增效劑在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中的應(yīng)用效果最好，此時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度較高，狀態(tài)較好，不離析、不泌水，28 d抗壓強(qiáng)度比為115%，動(dòng)彈性模量保留值（200次）達(dá)97%。

2.2 聚羧酸增效劑摻量對(duì)混凝土性能的影響（見(jiàn)表2）

從表2可以看出，隨著聚羧酸增效劑摻量的增加，混凝土的3 d、7 d及28 d抗壓強(qiáng)度比提高，當(dāng)摻量為3.5%時(shí)，混凝土3d抗壓強(qiáng)度比為102%，繼續(xù)增加聚羧酸增效劑的摻量，抗壓強(qiáng)度比變化不大，綜合考慮混凝土成本及性能，選擇聚羧酸增效劑的摻量為3.5%。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚羧酸增效劑摻量達(dá)到5.0%時(shí)，混凝土出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。聚羧酸增效劑摻量為3.5%時(shí)，制得的混凝土和易性較好，不離析、不泌水，28 d抗壓強(qiáng)度比達(dá)到112%。

2.3 工業(yè)廢渣粉替代水泥的量

節(jié)約水泥用量和工業(yè)廢渣資源化作為水泥和混凝土摻合料的資源化一直都是世界性的研究熱點(diǎn)。用大量工業(yè)廢渣粉替代水泥，可以得到低碳環(huán)保的混凝土，符合國(guó)家的發(fā)展戰(zhàn)略。

研究了在自制聚羧酸增效劑的作用下，大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中工業(yè)廢渣粉對(duì)水泥的替代量對(duì)混凝土綜合性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，在不摻加聚羧酸增效劑時(shí)，制得的大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土早期強(qiáng)度低，達(dá)不到施工要求。當(dāng)工業(yè)廢渣粉替代水泥量為80%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度比只有26%，摻加聚羧酸增效劑的工業(yè)廢渣混凝土，早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，3 d抗壓強(qiáng)度明顯提高，28 d強(qiáng)度為基準(zhǔn)混凝土的90%以上；摻加聚羧酸增效劑的工業(yè)廢渣粉混凝土，在保證混凝土性能相同的情況下，可以實(shí)現(xiàn)80%的水泥替代量。摻聚羧酸增效劑工業(yè)廢渣粉混凝土比不摻聚羧酸增效劑工業(yè)廢渣粉混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度比和更好的耐久性。

3 結(jié) 語(yǔ)

制備了一種可以用于大摻量工業(yè)廢渣混凝土的聚羧酸增效劑?？疾炝朔稚⒓ぐl(fā)組分中單體配比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度及相對(duì)耐久性的影響，并研究了在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中，聚羧酸增效劑摻量及替代水泥量對(duì)混凝土性能的影響。

（1）在其它試驗(yàn)條件相同的條件下，當(dāng)n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1時(shí)，制備的聚羧酸增效劑在大摻量工業(yè)廢渣粉混凝土中應(yīng)用效果較好，當(dāng)其摻量為膠凝材料質(zhì)量的3.5%時(shí)，制得的混凝土和易性較好，不離析、不泌水，28 d抗壓強(qiáng)度比為115%，動(dòng)彈性模量保留值（200次）達(dá)到97%。

（2）聚羧酸增效劑用于混凝土中，在保證其性能的前提下，可以用工業(yè)廢渣粉（例如粉煤灰和鋼廠廢渣等）代替80%的水泥；摻加聚羧酸增效劑可以大大提高混凝土的早期強(qiáng)度，并具有優(yōu)異的相對(duì)耐久性。

（3）用工業(yè)廢渣替代大量水泥后，能有效降低混凝土的成本，具有高的性?xún)r(jià)比及廣闊的市場(chǎng)前景。

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Study on application of polycarboxylate activator used in industrial waste concrete

ZHANG Shuanhong，ZHANG Ming，JIA Jitang，JIA Shouwei，ZHANG Peilin，WANG Huizhong
（Shandong Huawei Yinkai Building Materials Science and Technology Co.Ltd.，ZiBo 256410，Shandong，China）

The polycarboxylate activator has been prepared，which can be used in concrete with a lot of industrial waste slag. And the performance of the concrete has been studied in the presence of polycarboxylate activator.The results show that the optimum monomer mole ratio is n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1 in the activator prepared in this paper.It can replace 80%of cement with industrial waste residue in the concrete with high amount of industrial waste residue powder，when the best level of polycarboxylate activator was 3.5%.And the early strength of the concrete with high amount of industrial waste residue powder is striking improved，at the same time the 28 d compressive strength is very similar to the reference concrete.

concrete，industrial waste slag，polycarboxylate activator

TU528.042

A

1001-702X（2015）06-0009-03

2014-10-10；

2015-02-02

張栓紅，女，1984年生，山東蒙陰人，碩士，工程師，主要從事高分子材料方面的研究。