高性能管道壓漿料用固體聚羧酸減水劑的制備及性能研究

李 濤

（貴州科之杰新材料有限公司，貴州 龍里 551206）

0 引言

隨著高層建筑、高速公路、大型橋梁及隧道等工程的興建，壓漿料作為公路、橋梁等大型工程的后張法有粘結(jié)鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的管道專用材料，主要用在各種鐵路、公路后張法預(yù)應(yīng)力橋梁孔道壓漿、大型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)孔道壓漿等方面[1]。壓漿料是一種專用于后張法預(yù)應(yīng)力管（孔）壓漿施工的產(chǎn)品，由多種優(yōu)質(zhì)水泥基材料和高性能外加劑優(yōu)化配制而成，具有優(yōu)異的流動性，漿體穩(wěn)定，充盈度好，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，無收縮、微膨脹，強(qiáng)度高，不含對鋼筋有害物質(zhì)等特點(diǎn)[1，2]。其所用的高性能外加劑中，除膨脹劑、膠結(jié)劑等材料外，固體聚羧酸減水劑的使用是漿體流速及抗折抗壓強(qiáng)度的重要保障。

近年來，在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中，液體聚羧酸減水劑得到廣泛的普及和使用。但目前工業(yè)化生產(chǎn)的聚羧酸減水劑固含量為40%～60%的液體，存在儲運(yùn)成本高、易霉、應(yīng)用范圍受限等缺點(diǎn)[3]。因此，發(fā)展固體聚羧酸產(chǎn)品是降低運(yùn)輸成本和推廣聚羧酸系減水劑在各地廣泛使用的首要條件[4]。但固體聚羧酸減水劑的生產(chǎn)及使用技術(shù)仍不夠成熟，生產(chǎn)的固體聚羧酸減水劑一方面會含3%左右的水，固含量不能達(dá)到100%，另一方面本體聚合反應(yīng)原材料之間的反應(yīng)不充分，轉(zhuǎn)化率低，所得產(chǎn)物性能較差。

本文以異戊烯醇聚氧乙烯基醚（TPEG）、甲基丙烯酸（MAA）及不飽和磷酸酯（HEMAP）為原材料，在偶氮二異丁氰（AIBN）為引發(fā)劑，巰基乙醇（Qc）為鏈轉(zhuǎn)移劑70℃本體聚合合成一種高性能管道壓漿料用固體聚羧酸減水劑，方法簡單，且所得聚羧酸減水劑固含量高達(dá)99%以上，適宜工業(yè)化生產(chǎn)使用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 固體聚羧酸減水劑的合成

在裝有攪拌器的三口反應(yīng)容器中加入一定量的異戊烯醇聚氧乙烯基醚。70℃加熱攪拌30min直至固體完全熔化。加入引發(fā)劑偶氮二異丁氰，開始滴加預(yù)先配制好的混合液：甲基丙烯酸+不飽和磷酸酯+巰基乙醇，60min滴加完；滴加完畢后繼續(xù)恒溫反應(yīng)90min。降溫冷卻得固體聚羧酸減水劑PC-S，固含量99.8%。

1.2 水泥凈漿和壓漿料性能測定

水泥（C），紅獅P.O42.5；膨脹劑（P），石家莊某公司生產(chǎn)；硅粉（GF），貴州本地產(chǎn)；重鈣（ZG），貴州本地產(chǎn)；消泡劑（X），福建某公司生產(chǎn)；固體聚羧酸減水劑（JS），上海某公司生產(chǎn)。水泥凈漿流動度測定:按照GB/T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中的方法測定。其中水灰比為0.29，聚羧酸減水劑摻量為0.30%。壓漿料性能測試：參照J(rèn)TG/TF 50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行壓漿料性能實(shí)驗(yàn)，水（W）/壓漿料（JF）=0.28，壓漿料為水泥/壓漿劑（J）=9/1的混合物，壓漿劑為膨脹劑、硅粉、固體聚羧酸減水劑（JS或PC-S）與消泡劑按一定比例的混合物。壓漿料配比見表1。

表1 壓漿料配比

2 結(jié)果與討論

2.1 固體聚羧酸減水劑的水泥凈漿流動度對比

對上述兩種固體聚羧酸減水劑JS與PC-S進(jìn)行凈漿對比實(shí)驗(yàn)。具體結(jié)果見表2所示。

從表2可以明顯看出，水泥凈漿中摻入固體聚羧酸減水劑后，凈漿流動明顯增大50-55mm，經(jīng)時(shí)60min損失后，不摻聚羧酸減水劑的空白樣凈漿流動度130mm。摻減水劑JS與PC-S的凈漿流動性較好，其中減水劑PC-S的減水率較JS略大，初始凈漿流動度大5mm，60min后凈漿流動度較JS大10mm。從凈漿實(shí)驗(yàn)結(jié)果可初步看出，固體聚羧酸減水劑PC-S減水率及保坍性均較市售廠家生產(chǎn)的減水劑好。

表2 水泥凈漿對比試驗(yàn)

2.2 壓漿料性能測試

為了進(jìn)一步比較制備的固體聚羧酸減水劑JS與PC-S在壓漿料中的使用效果，進(jìn)行了壓漿料性能測試對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 壓漿料測試結(jié)果

從表3可看出：摻固體聚羧酸減水劑PC-S的壓漿料初始及30min后的流動度均比固體聚羧酸減水劑JS快2s；凝結(jié)時(shí)間較JS長30-40min。兩種減水劑配制的壓漿料常壓均不泌水，0.22MPa（當(dāng)孔道垂直高度≤1.8m時(shí)）壓力泌水率為1.2%-1.4%。3d、7d及28d抗折強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度PC-S較JS略好；24h自由膨脹率相近。從兩種固體聚羧酸減水劑配制的壓漿料測試數(shù)據(jù)看，固體聚羧酸減水劑PC-S的性能指標(biāo)優(yōu)于減水劑JS，這與不飽和磷酸酯的性能有關(guān)。不飽和磷酸酯在水泥堿性環(huán)境下能水解釋放羧基維持水泥漿體流動性，同時(shí)釋放出的磷酸根具有一定的緩凝作用，使得壓降料凝結(jié)時(shí)間延長30-40min。兩種固體減水劑各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)JTG/TF 50-2011的要求，可用于實(shí)際壓漿料的生產(chǎn)及使用。

2.3 固體聚羧酸減水劑PC-S結(jié)構(gòu)表征

2.3.1 GPC分析

將固體聚羧酸減水劑PC-S進(jìn)行凝膠滲透色譜分析，具體數(shù)據(jù)如表4。

從表4可看出，本體聚合合成的固體減水劑PC-S數(shù)均分子量為24300，分子量分布指數(shù)1.84，轉(zhuǎn)化率較高90.54%，與水溶自由基聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率相近。

表4 PC-S減水劑GPC數(shù)據(jù)

2.3.2 FT-IR分析

將固體聚羧酸減水劑與KBr壓片紅外光譜測試(圖2)。

圖1 PC-S凝膠滲透色譜分析

圖2 減水劑PC-S紅外光譜圖

如圖2所示，在紅外光譜圖中，3110-3650cm-1為-COOH中-OH的不對稱伸縮振動吸收峰，1730cm-1為磷酸酯酯基中-C=O-的伸縮特征峰；1650cm-1為-COOH中-C=O-的伸縮特征峰；2880cm-1，1450cm-1，1360cm-1為CH-、-CH2-，-CH3的特征吸收峰；1110cm-1為聚合物中醚鍵-C-O-C-的特征吸收峰，從紅外光譜各官能團(tuán)的特征吸收峰可初步判定，聚醚大單體，甲基丙烯酸及不飽和磷酸酯等單體均參與了反應(yīng)，與最初反應(yīng)的設(shè)計(jì)相符。

3 結(jié)語

1）本文采用本體聚合的方法，以異戊烯醇聚氧乙烯基醚、甲基丙烯酸及不飽和磷酸酯為原材料合成了一種固體聚羧酸減水劑，方法簡單且轉(zhuǎn)化率高。

2）合成的固體聚羧酸減水劑減水率高，保坍性好，用其配制的壓漿料各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足施工標(biāo)準(zhǔn)的要求，可用于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

3）從GPC和FT-IR數(shù)據(jù)看，本體聚合合成的固體減水劑PC-S數(shù)均分子量為24300，轉(zhuǎn)化率較高；聚合物紅外光譜吸收峰位置對應(yīng)的官能團(tuán)與各單體原材料中的官能團(tuán)一致，各單體原材料均有效參與聚合。