一種混凝土用粘度調(diào)節(jié)劑的制備與性能評價

倪濤，夏亮亮，陶俊，劉昭洋，王進(jìn)春

（石家莊市長安育才建材有限公司，河北 石家莊 051430）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)高速公路、鐵路、水電站、民建等項目大量建設(shè)，這對高性能混凝土性能提出了更高的要求。然而在實際應(yīng)用過程中，由于水泥成分不穩(wěn)定，外加劑與水泥適應(yīng)性差，砂、石等粗細(xì)骨料含粉、泥量偏低等因素，混凝土的黏聚性差，易出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象[1]。筆者曾在拌制C60混凝土?xí)r，水泥與外加劑出現(xiàn)不相容，出機后10 min左右出現(xiàn)混凝土表層泛水光，底部較干的現(xiàn)象。上述出現(xiàn)的問題均降低混凝土和易性，最終影響混凝土強度及耐久性。

為解決混凝土出現(xiàn)的離析、泌水等和易性差的問題，施工中常加入黏度調(diào)節(jié)劑來增大混凝土的黏聚性以及保水性能，避免出現(xiàn)“漿骨分離”現(xiàn)象，提高混凝土漿體勻質(zhì)性，改善混凝土工作性能。

目前常用的粘度調(diào)節(jié)劑為改性纖維素類，例如羧甲基纖維素、羥丙基纖維素等，然而這類粘度調(diào)節(jié)劑易影響混凝土的強度，且與聚羧酸減水劑易出現(xiàn)相容性問題；而國外同類型產(chǎn)品價格昂貴，增加了施工成本[2]。故本研究采用丙烯酰胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為單體，經(jīng)過自由基聚合制備二元聚合物混凝土粘度調(diào)節(jié)劑NT-1，其與聚羧酸減水劑復(fù)配，能夠有效增加混凝土黏聚性，防止離析、泌水，改善混凝土和易性。

1 試驗

1.1 合成原料及儀器

（1）合成原料

丙烯酰胺（AM）：工業(yè)級，純度＞90.0%；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）：工業(yè)級，純度＞98.0%；偶氮類引發(fā)劑：工業(yè)級；去離子水。

（2）試驗材料

水泥：峨勝P·O42.5水泥；羥丙基甲基纖維素（HPMC）：粘度200 Pa·s），市售，試驗時配制成濃度為2%的液體；粘度調(diào)節(jié)劑F1：固含量約2%，巴斯夫公司；普通聚羧酸減水劑：GK-3000型，石家莊市長安育才建材有限公司；粉煤灰：Ⅱ級；礦粉：S95級；砂：中砂，細(xì)度模數(shù)2.8；碎石，粒徑 5～20 mm連續(xù)級配；水：自來水。

（3）合成及試驗用儀器設(shè)備

四口燒瓶、攪拌器、溫度計、恒溫水浴鍋、氮氣。

水泥凈漿攪拌機；混凝土實驗攪拌機；標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱；數(shù)字式壓力試驗機。

1.2 粘度調(diào)節(jié)劑的合成工藝

將一定量的丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸溶于一定量的去離子水中，利用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)溶液pH值為7～8，加入一定量的引發(fā)劑于溶液中，將上述溶液置于四口燒瓶中，放入60℃的恒溫水浴中，向其中通入N2約30 min，緩速攪拌，反應(yīng)4 h后，加入稀釋水，得到濃度約2%的黏度調(diào)節(jié)劑NT-1。

1.3 水泥凈漿及混凝土性能測試方法

水泥凈漿測試參照GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進(jìn)行，水膠比為0.29，將減水劑與黏度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行復(fù)配，黏度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量占外加劑質(zhì)量的2%，外加劑折固摻量為0.1%。只摻減水劑時水泥凈漿初始及30 min流動度分別為 220、200 mm

混凝土坍落度、擴(kuò)展度、抗壓強度參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行測試，外加劑由減水劑與黏度調(diào)節(jié)劑復(fù)配而成，固含約40%，黏度調(diào)節(jié)劑質(zhì)量占外加劑質(zhì)量的2%，外加劑摻量為0.15%。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)單體濃度對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

反應(yīng)單體濃度對聚合物反應(yīng)難易程度及分子質(zhì)量影響較大，進(jìn)而影響?zhàn)ざ日{(diào)節(jié)劑的性能。反應(yīng)時，選取反應(yīng)單體濃度分別為4%、7%、10%、13%、16%，其他反應(yīng)條件一致，研究其對聚合物性能的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可見，隨著反應(yīng)單體濃度的增加，摻入黏度調(diào)節(jié)劑后的凈漿初始擴(kuò)展度逐漸降低，30 min后凈漿流動度呈現(xiàn)同樣的趨勢。當(dāng)反應(yīng)單體濃度為4%、7%時，單體濃度過低，反應(yīng)時溶液體系中自由基較少，彼此碰撞相遇的幾率小，故合成的黏度調(diào)節(jié)劑分子質(zhì)量較低，聚合物增黏保水作用有限；當(dāng)反應(yīng)單體濃度高于10%（如13%、16%）時，合成的黏度調(diào)節(jié)劑分子質(zhì)量過大，甚至?xí)a(chǎn)生“暴聚”[3]，導(dǎo)致水泥凈漿流動度與空白樣相比損失過大，同樣影響水泥漿體性能。反應(yīng)單體濃度為10%時，凈漿初始擴(kuò)展度相對損失較小，且保持性較好，故最佳反應(yīng)單體濃度為10%。

圖1 反應(yīng)單體濃度對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

2.2 引發(fā)劑用量對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

自由基共聚反應(yīng)時，引發(fā)劑用量會影響體系中自由基的數(shù)量，引發(fā)劑不足會導(dǎo)致引發(fā)效率低，產(chǎn)物產(chǎn)率及分子質(zhì)量均較小；引發(fā)劑用量過多，則聚合度降低，產(chǎn)物分子質(zhì)量減小。反應(yīng)時，添加不同量的引發(fā)劑，反應(yīng)單體濃度10%（下同），其他反應(yīng)條件一致，研究引發(fā)劑用量對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 引發(fā)劑用量對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

由圖2可見，引發(fā)劑添加量表示為反應(yīng)單體總質(zhì)量的百分比，隨著引發(fā)劑添加量的增加，凈漿初始擴(kuò)展度先減小后增大；而30 min后凈漿流動度則呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。引發(fā)劑添加量過低時，自由基聚合時活性基團(tuán)數(shù)量少，生成的黏度調(diào)節(jié)劑分子質(zhì)量小，增粘保水作用微弱；引發(fā)劑添加量過高時，生成的反應(yīng)活性基團(tuán)增多，反應(yīng)速率過快，使得聚合物分子質(zhì)量降低[3]，同時，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率低，同樣不利于提高黏度調(diào)節(jié)劑性能。而當(dāng)引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.5%時，黏度調(diào)節(jié)劑的分子質(zhì)量適中，凈漿黏塑性增大，同時流動保持性能較高，故引發(fā)劑的最佳用量為0.5%。

2.3 反應(yīng)單體配比對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

反應(yīng)單體中，丙烯酰胺反應(yīng)活性較高，有利于生成分子質(zhì)量較大的聚合物，故為反應(yīng)主單體，且其中的—CO—NH—極性基團(tuán)與水分子有較強的吸附作用，固定自由水，可以起到較好的保水作用。同時，黏度調(diào)節(jié)劑側(cè)鏈會相互吸引，導(dǎo)致凝膠結(jié)構(gòu)的形成與纏結(jié)，從而阻止自由水的遷移，增加水泥漿體系的黏度[4-5]。此外，單體AMPS中含有的—SO3—具有較強的抗堿、抗鹽性能，使得合成的黏度調(diào)節(jié)劑在水泥漿體中形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀膠體結(jié)構(gòu)。反應(yīng)時，改變AM與AMPS的質(zhì)量比，引發(fā)劑用量為0.5%（下同），其他反應(yīng)條件一致，研究AM與AMPS質(zhì)量比對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 AM與AMPS質(zhì)量比對黏度調(diào)節(jié)劑性能的影響

由圖3可見，AM與AMPS質(zhì)量比由9∶1變?yōu)?∶5過程中，摻黏度調(diào)節(jié)劑的凈漿初始流動度先略微減小后增加，但30 min后凈漿流動度卻先增加后顯著減小。綜合考慮，AM與AMPS質(zhì)量比為8∶2時，黏度調(diào)節(jié)劑對凈漿流動度的影響相對較小，故選擇AM與AMPS質(zhì)量比為8∶2作為反應(yīng)單體配比。

2.4 混凝土應(yīng)用性能

試驗配制C30混凝土，外加劑由減水劑與黏度調(diào)節(jié)劑復(fù)配而成，黏度調(diào)節(jié)劑摻量均為膠凝材料的0.03%，混凝土的水膠比為0.48，試驗配合比見表1，性能測試結(jié)果見表2。

表1 混凝土配合比 kg/m3

表2 混凝土性能測試結(jié)果

由表2可知，加入黏度調(diào)節(jié)劑后，混凝土坍落度與擴(kuò)展度均有所減小，與HPMC、F1相比，合成的黏度調(diào)節(jié)劑NT-1對混凝土坍落度與擴(kuò)展度影響最小，且3、7、28 d抗壓強度與不添加黏度調(diào)節(jié)劑混凝土相差不大，且略高于摻另外兩種黏度調(diào)節(jié)劑的混凝土。表明合成的黏度調(diào)節(jié)劑NT-1能夠使混凝土保持較好的勻質(zhì)性，且對其流動性能影響不大，同時，其對混凝土強度發(fā)展無負(fù)面影響。

3 結(jié)語

（1）以丙烯酰胺與2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸鈉為反應(yīng)單體，合成混凝土黏度調(diào)節(jié)劑，水泥凈漿試驗結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度為60℃，pH值為7～8時，其最佳合成條件為：反應(yīng)單體濃度為10%，AM與AMPS質(zhì)量比為8∶2，引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的0.5%。

（2）混凝土應(yīng)用試驗結(jié)果表明，合成的黏度調(diào)節(jié)劑與聚羧酸減水劑復(fù)配，能夠使混凝土保持較好的勻質(zhì)性，且對其流動性能影響不大；同時，其對混凝土強度發(fā)展無負(fù)面影響。

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