趙欣欣
我國(guó)高速鐵路、公路工程項(xiàng)目的預(yù)制梁、現(xiàn)澆梁普遍采用C50、C55、C60 的混凝土配比[1].通過(guò)對(duì)部分已完成項(xiàng)目混凝土配合比的統(tǒng)計(jì)分析可知,水膠比范圍為0.28~0.34,膠材用量為438~497 kg/m3.由于拌制混凝土用水量少,膠凝材料用量大,因此減水劑用量是普通混凝土的1.5~2倍,導(dǎo)致混凝土后期極易出現(xiàn)泌水離析現(xiàn)象[2],在使用的減水劑中,通常要摻入纖維素醚等增稠劑來(lái)改善混凝土的和易性,而纖維素醚在減水劑中的溶解度很低、摻量較高,會(huì)發(fā)生沉降,不均勻的減水劑產(chǎn)品無(wú)法用于正常施工.
混凝土粘度大,除帶來(lái)外加劑成本增加及外加劑相容性的問(wèn)題外,還會(huì)影響施工工藝[3?4],為加快施工進(jìn)度,需增加附著振搗器,氣泡在粘度大的混凝土中不易逸出,振搗時(shí)間需適當(dāng)延長(zhǎng).這些工藝的增加也出現(xiàn)了不少問(wèn)題,如:現(xiàn)場(chǎng)布料不穩(wěn)定,集中布料現(xiàn)象,厚度不均,差距大;附著振搗控制不協(xié)調(diào),導(dǎo)致某些部位過(guò)振,出現(xiàn)不規(guī)則大孔;梁體腹板外觀氣泡中心線以下多于中心線以上[5].
針對(duì)以上問(wèn)題,本實(shí)驗(yàn)除了開發(fā)一種降粘型的減水劑母液外,還從減水劑分子結(jié)構(gòu)[6?8]設(shè)計(jì)層面出發(fā),完成如下研究.
4?羥丁基乙烯基聚氧乙烯醚,EPEG,工業(yè)級(jí),樂(lè)天化學(xué)(嘉興)有限公司;甲基丙烯酸,MMA,工業(yè)級(jí),山東科建化工有限公司;巰基丙酸,MPA,工業(yè)級(jí),濟(jì)南彬琪化工有限公司;2?甲基丙烯酰胺?2?亞甲基異丙基磺酸,AMPS,工業(yè)級(jí),山東優(yōu)索化工科技有限公司;丙烯酰胺,AM,工業(yè)級(jí),蘇州市奧特萊化工有限公司;過(guò)硫酸銨,APS,分析純,山東德彥化工有限公司;L?甲基抗壞血酸,VC,工業(yè)級(jí),濟(jì)南天本生物科技有限公司;硫脲,工業(yè)級(jí),濟(jì)南輝鵬化工有限公司;高錳酸鉀,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.
(1)混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑的合成.室溫條件下,將EPEG、水分別加入到四口燒瓶中,在300 r/min 的攪拌速度下,攪拌溶解,加入具有還原性的鏈轉(zhuǎn)移劑硫脲,分散溶解.然后,同時(shí)滴加A 液和B液,滴加3 h,保溫0.5 h,并用1 mol/L 的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 至7 左右.其中,A 液是由MMA、AMPS、AM 和水配成的混合溶液,B 液是由強(qiáng)氧化劑高錳酸鉀和水配制而成的溶液.
(2)普通型聚羧酸減水劑的合成.室溫條件下,將EPEG、水分別加入到四口燒瓶中,在300 r/min 的攪拌速度下,攪拌溶解,再加入一定量的APS,分散溶解.然后,滴加A 液和B液,滴加3 h,保溫0.5 h,并用1 mol/L 的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH 至7 左右.其中,A 液是由MMA、MPA 和水配制成的混合溶液,B 液為VC 水溶液.
(1)聚合物分子量與分布測(cè)試.采用安捷倫1200 凝膠滲透色譜儀測(cè)定.
(2)表面張力測(cè)試.采用山東本創(chuàng)儀器有限公司的BCZ?808 型全自動(dòng)表面張力儀的鉑金環(huán)法測(cè)試方法測(cè)得.
(3)引氣和穩(wěn)泡能力測(cè)試.取5 mL 質(zhì)量濃度為20%的聚合物溶液于10 mL 的帶蓋離心管中,劇烈搖晃20 s后,記錄氣泡高度以及氣泡完全消失的時(shí)間.
(4)水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試.水泥凈漿流動(dòng)度所用水灰比為0.29,相關(guān)測(cè)試方法按GB 8077?2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)定.
(5)砂漿性能測(cè)試.依據(jù)GB 50119?2013《混凝土外加劑相容性快速試驗(yàn)方法》中砂漿的測(cè)試方法進(jìn)行砂漿性能測(cè)試.
(6)混凝土性能測(cè)試.依據(jù)GB/T 50080?2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試.
本文優(yōu)選KMnO4—硫脲氧化還原體系作為引發(fā)體系,其中硫脲既是還原劑也是鏈轉(zhuǎn)移劑,在酸性聚合體系中,高價(jià)錳離子與硫脲發(fā)生氧化還原反應(yīng),使硫脲分子產(chǎn)生自由基,然后逐步引發(fā)EPEG、AM、AMPS 等單體進(jìn)行自由基共聚反應(yīng),當(dāng)硫脲分子中的巰基部分逐步被氧化成磺酸根的過(guò)程中,自由基鏈端結(jié)合不活潑氫后使自由基聚合終止,此時(shí)硫脲起到鏈轉(zhuǎn)移的作用,具體的聚合過(guò)程見圖1,圖2 是制備的和易性調(diào)節(jié)劑的分子結(jié)構(gòu)圖,該和易性調(diào)節(jié)劑與普通減水劑的分子量、分布,以及表面張力對(duì)比結(jié)果見表1.
表1 和易性調(diào)節(jié)劑與普通減水劑的分子量、分布和表面張力對(duì)比
圖1 和易性調(diào)節(jié)劑反應(yīng)機(jī)理圖
圖2 和易性調(diào)節(jié)劑的分子結(jié)構(gòu)圖
分析表1 和圖3 可知,將高錳酸鉀與硫脲組合,作為反應(yīng)的引發(fā)劑以及鏈轉(zhuǎn)移劑,制備的混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑分子量達(dá)到了165 800,是普通減水劑的4.2 倍.大量親水性單體的接枝引入,使聚合物的表面張力得到提高,達(dá)到了57.95 mN/m,比普通減水劑表面張力高12.56 mN/m.另外,從圖4 相同折固摻量下的聚合物凈漿擴(kuò)展度隨時(shí)間變化曲線的對(duì)比圖中分析可知,在相同流動(dòng)性擴(kuò)展度下,混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑的摻量要比普通減水劑的摻量高,但凈漿流動(dòng)性擴(kuò)展度隨時(shí)間的損失比普通減水劑低.
圖3 聚合物的GPC 測(cè)試圖譜
圖4 聚合物的凈漿性能對(duì)比
由2.1 的分析結(jié)果可知,本成果開發(fā)的混凝土和易性調(diào)節(jié)劑母液分子量和表面張力均較普通減水劑高.這種特性使采用本成果制備的和易性調(diào)節(jié)劑拌制的混凝土可適當(dāng)增加混凝土粘度,達(dá)到增稠保水的效果,另一方面大量離子型單體的加入,可使拌制的混凝土中的氣泡表面帶上大量的表面電荷,并形成氣液界面雙電層,雙電層將產(chǎn)生交疊或重疊,形成排斥力,導(dǎo)致氣泡膜厚度增大,從而達(dá)到穩(wěn)泡的效果,如圖5 所示.
圖5 離子型表面活性劑在氣泡表面形成的雙電層模型
另外,大分子量的高分子物質(zhì)(如蛋白質(zhì))能穩(wěn)定泡沫,這種性能的發(fā)揮主要基于高分子物質(zhì)較大的表面粘度.本文的和易性調(diào)節(jié)劑是一種分子量在1.6×105數(shù)量級(jí)的高分子物質(zhì),且粘度較大,這種特性有利于混凝土氣泡的穩(wěn)定.
為了比較本文所制備的聚合物在引氣和穩(wěn)泡方面的性能,設(shè)定了以下實(shí)驗(yàn):將混凝土和易性調(diào)節(jié)劑、普通減水劑配制成20%固含量的聚合物溶液,以及20%固含量聚合物溶液+0.5‰引氣劑,取5 mL 溶液于10 mL 的帶蓋離心管中,劇烈搖晃20 s后,記錄氣泡高度和氣泡完全消失的時(shí)間,結(jié)果見表2.由表2 可知,經(jīng)過(guò)搖晃,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑的氣泡刻度為10 mL,普通減水劑的氣泡刻度為9 mL,前者具有更好的引氣能力.在未加0.5‰引氣劑前,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑的消泡時(shí)間為40 s,普通減水劑為12 s,為獲得更直觀的視覺(jué)效果,在聚合物溶液中再加入0.5‰引氣劑作進(jìn)一步的觀察,前者消泡時(shí)間為170 min,后者為102 min,這說(shuō)明,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑具備更好的穩(wěn)泡能力.混凝土和易性調(diào)節(jié)劑本身也是一種離子型表面活性劑,其起泡作用機(jī)理與一般離子型表面活性劑相同,通過(guò)分子本身所帶電荷,分散在氣泡膜內(nèi),其親水端朝向液膜內(nèi)部,疏水端朝向氣體一側(cè),通過(guò)同性電荷排斥作用,增加了氣泡液膜厚度、強(qiáng)度和彈性,使氣泡容易產(chǎn)生而不易破裂.另外,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑在分子鏈上引入了較多的羧基、磺酸基、氨基等親水性基團(tuán),使合成的聚合物在水膜內(nèi)具有更好的分散溶解性,增加了氣泡內(nèi)離子密度,加強(qiáng)了離子相斥效果,有利于穩(wěn)定氣泡的產(chǎn)生.
表2 引氣和穩(wěn)泡能力比較
為了初步比較兩種聚合物對(duì)漿體包裹性能的影響,本文制定了以下砂漿配合比:水泥390 kg/m3、河砂785 kg/m3、水173 kg/m3,聚合物固含量20%,進(jìn)行不同聚合物摻量下的砂漿漿體包裹性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3 和圖6.本實(shí)驗(yàn)中選用的河砂為細(xì)度模數(shù)2.1 的粗河沙,以方便觀察砂漿漿體包裹性.
表3 聚合物的砂漿性能測(cè)試結(jié)果
圖6 兩種聚合物的砂漿狀態(tài)對(duì)比結(jié)果
從表3 數(shù)據(jù)可知,當(dāng)混凝土和易性調(diào)節(jié)劑、普通減水劑的摻量在1%時(shí),和易性調(diào)節(jié)劑的砂漿擴(kuò)展度為235 mm,砂漿狀態(tài)、粘聚性較好,表面無(wú)泌水泌漿等現(xiàn)象;反觀普通減水劑的砂漿,擴(kuò)展度達(dá)到了270 mm,砂漿表面泛黃漿,表面泌水明顯.當(dāng)將二者擴(kuò)展度調(diào)整到一致時(shí),混凝土和易性調(diào)節(jié)劑摻量需提高到1.2%,普通減水劑摻量則需降低至0.8%,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑所拌制的砂漿包裹性明顯優(yōu)于普通減水劑拌制的砂漿,前者無(wú)泌水泌漿現(xiàn)象,后者表面仍有黃漿以及輕微泌水.從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,混凝土和易性調(diào)節(jié)劑具有改善砂漿包裹性的效果,這是由于混凝土和易性調(diào)節(jié)劑的分子量高達(dá)16萬(wàn),具有增稠劑的部分特性,對(duì)砂漿起到了一定的增稠保水作用.
2.4.1 C50 箱梁混凝土
采用C50 箱梁混凝土配合比評(píng)價(jià)低敏感和易性調(diào)節(jié)劑對(duì)混凝土的降粘效果,配合比見表4,實(shí)驗(yàn)水泥為金隅P·O42.5 水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量27.8%,3d 抗壓強(qiáng)度28.9 MPa,28d抗壓強(qiáng)度52.1 MPa;粉煤灰為I 級(jí)粉煤灰,細(xì)度6.2%,燒失量2.8%,需水量比92%;礦粉為S95 級(jí)礦粉,比表面積不低于400 m2/kg,礦粉28d 活性指數(shù)達(dá)102%;砂采用中粗河砂,細(xì)度模數(shù)2.6,大石∶小石比例為7∶3,小石顆粒粒徑為5~10 mm,大石顆粒粒徑為10~20 mm;水為自來(lái)水.
表4 C50 箱梁混凝土配合比
在此配合比條件下,水膠比為0.30,現(xiàn)場(chǎng)采用123∶322∶703=12∶9∶2+1.5%檸檬酸+1/千日引減水劑復(fù)配方案,混凝土狀態(tài)仍然偏粘,流速慢.將原復(fù)配方案中的123 減水組分用本項(xiàng)目開發(fā)的混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑等量替代后,進(jìn)行混凝土試拌,混凝土工作性能及狀態(tài)對(duì)比結(jié)果分別見表5 和圖7.
表5 混凝土性能對(duì)比結(jié)果
圖7 混凝土狀態(tài)對(duì)比
降粘和易性調(diào)節(jié)劑使水泥能夠更快地分散開,60 s 內(nèi)混凝土狀態(tài)打開,出鍋后混凝土狀態(tài)良好,比較松軟,混凝土表面有未炸裂氣泡,(初始大)半小時(shí)后流速減慢,混凝土表面氣泡消失.從混凝土流空時(shí)間和T500的數(shù)據(jù)對(duì)比可知,普通型減水劑拌制混凝土粘度較大,反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),適當(dāng)增加減水劑摻量后,混凝土坍落度變大,但粘度并沒(méi)有較大改善,采用混凝土和易性調(diào)節(jié)劑拌制的混凝土粘度明顯降低.
2.4.2 C60 自密實(shí)混凝土
實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步選取了C60 自密實(shí)混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)配合比見表6,膠凝材料總用量為550 kg/m3,砂率為41%,水膠比為0.30.試驗(yàn)水泥為中材P·O42.5 水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量為28.0%,3d 抗壓強(qiáng)度31.2 MPa,28d 抗壓強(qiáng)度52.6 MPa.粉煤灰為優(yōu)質(zhì)等級(jí)的F 類II級(jí)粉煤灰,其細(xì)度9.3%,需水量96%,燒失量2.86%.礦粉采用S95 級(jí)高爐礦渣粉,各項(xiàng)指標(biāo)質(zhì)量?jī)?yōu)良,其比表面積為425 cm2/g,流動(dòng)度比為101%,活性指數(shù)7d 為85%、28d 為105%.細(xì)骨料采用天然II 區(qū)中砂,細(xì)度模數(shù)為2.7,含泥量0.7%,泥塊含量0.2%;粗骨料采用連續(xù)級(jí)配碎石,粒徑5~16 mm,壓碎指標(biāo)為6.3%,含泥量0.2%,針片狀含量4.5%,泥塊含量0.1%,水為自來(lái)水.
由表7 中的混凝土數(shù)據(jù)可知,單獨(dú)采用降粘型的減水劑摻量更高,雖然混凝土的粘度得到了較大改善,但是混凝土的離析率也從3.7%上升到5.4%,因此試驗(yàn)選取了三組減水劑復(fù)配比例來(lái)對(duì)比混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑對(duì)C60 自密實(shí)混凝土的粘度和抗離析性能的影響,減水劑的配方見表6.
表6 試驗(yàn)減水劑復(fù)配方案選擇
表7 混凝土性能數(shù)據(jù)
由表8 的測(cè)試數(shù)據(jù)可知,相對(duì)于單獨(dú)使用降粘PC?1,復(fù)配常規(guī)減水劑ZT?122,混凝土倒坍時(shí)間T500均延長(zhǎng),離析率降低,復(fù)配混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑后,減水劑摻量降低了1.5%,倒坍時(shí)間和T500均有小幅度降低,混凝土離析率也得到了較好改善,降低了1.5%,主要得易于混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑在混凝土中兼具減水、降粘和保水三重作用.
表8 復(fù)配方案下混凝土性能數(shù)據(jù)
(1)本文將高錳酸鉀與硫脲組合作為反應(yīng)的引發(fā)劑以及鏈轉(zhuǎn)移劑,不僅不會(huì)造成聚合反應(yīng)的死端聚合,所制備的混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑分子量還可達(dá)到165 800,是普通減水劑的4.2倍,大量親水性單體的接枝引入,使聚合物的表面張力得到提高,達(dá)到57.95 mN/m.
(2)本文所制備的混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑與普通減水劑相比,具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu),不僅具備了普通減水劑的減水效果,還同時(shí)具備增稠保水、引氣和穩(wěn)泡的特殊效果,可在拌制混凝土過(guò)程中引入大量小氣泡,改善混凝土和易性,降低混凝土粘度,增加混凝土流速.
(3)在混凝土粘度較高時(shí),將混凝土降粘和易性調(diào)節(jié)劑和降粘型減水劑PC?1 按一定比例復(fù)摻使用,比單獨(dú)使用降粘型PC?1 對(duì)混凝土的降粘效果更好,且減水劑摻量更低.