一种两性聚羧酸系减水剂对水泥分散性能的影响

曹 强,田小娟

(1.渭南师范学院化学与生命科学学院,陕西渭南 714099;2.陕西省石油化工研究设计院,西安 710054)

一种两性聚羧酸系减水剂对水泥分散性能的影响

曹 强1,田小娟2

(1.渭南师范学院化学与生命科学学院,陕西渭南 714099;2.陕西省石油化工研究设计院,西安 710054)

以甲基丙烯酸(AA)、烯丙基聚乙二醇(APEG)和二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)为原料通过溶液共聚制备出了一种两性聚羧酸系减水剂(APCs).研究了单体对APCs性能的影响,测定了Zeta电位和吸附特性.结果表明引入阳离子单体可以增加饱和吸附量和分散性能.Zeta电位测定表明吸附着聚合物的水泥粒子之间的空间位阻是主要的分散机理.

两性;减水剂;分散性能;吸附

0 引言

聚羧酸系减水剂(PCs)常用于建筑工业中,用来分散混凝土中的水泥颗粒.使用聚羧酸系减水剂能够提高混凝土体系的工作性能,以满足工业需求.[1]聚羧酸系减水剂有诸多优点,如较低的添加量、高减水率、很好的流动特性保持能力.其化学结构能够有效地保持水泥浆体流动性,减少了混凝土的用水量,因为它通过静电斥力和空间位阻效应等作用可以很好地分散水泥粒子.[2-3]尽管聚羧酸系减水剂可较长时间保持混凝土工作性能,但由于阴离子化学结构,其饱和吸附量有限.因此,开发新型两性聚羧酸系减水剂是一个发展方向.本试验制备了一种两性聚羧酸系减水剂(APCs),讨论了这种聚合物对水泥浆体流动性能和吸附性能的影响.

1 实验

1.1 材料及仪器

普通硅酸盐水泥32.5R(秦岭水泥厂)、丙烯酸(AA,中国红岩试剂厂)、引发剂过硫酸铵(APS,红岩试剂厂)、甲基磺酸盐(MAS,红岩试剂厂)、烯丙基聚乙二醇(APEG,中国辽宁奥克化学有限公司)、二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC,山东鲁岳化工有限公司)、微电泳仪(中国上海中辰公司)、双光束紫外—可见分光光度计UV1900(中国上海佑科仪器仪表有限公司).

1.2 APCs和PCs的制备

将40 mL去离子水加入带有搅拌器、冷凝管和温度计的四口圆底烧瓶,再加入APEG和MAS.将混合物搅拌加热到90℃,然后,分别滴加50 mL APS的去离子水溶液和30 mL AA、DMDAAC混合物的去离子水溶液进行聚合反应.滴加时间为1 h,待反应单体混合溶液和引发剂溶液全部滴入烧瓶后,在90℃下保温3 h,然后冷却至室温,再用30%氢氧化钠溶液中和反应混合物至pH值为7.0左右,即得到APCs产品溶液.PCs的合成方法见文献[4],APCs的化学分子结构如图1所示.

1.3 水泥浆体流动度的测定

参照国标GB 8077-2000的试验方法,称水泥300 g倒入搅拌器内,加入指定掺量的减水剂和105 g 水,搅拌3 min.将拌好的净浆注入截锥圆模(上口直径36 mm,下口直径60 mm,高度60 mm,内壁光滑的无缝金属制品)用刮刀刮平,将截锥圆模沿垂直方向迅速提起,同时开动秒表计时,任水泥净浆在平板上流动30 s,用钢尺取流动部分互相垂直两个方向的最大直径,取平均值作为净浆流动度.

图1 APCs分子结构示意图

1.4 Zeta电位的测定

在水/灰比为400∶1的条件下,取1 g水泥加入不同浓度的APCs溶液中(APCs溶液浓度为0～10 g/L),由混合器搅拌5 min后,取上清液用微电泳仪测定,取10组实验数据的平均值作为水泥颗粒的Zeta电位.

1.5 吸附量的测定

用离心沉降法测试两种减水剂APCs和PCs在水泥颗粒表面的吸附量,分别加入2 mg、4 mg、6 mg、8 mg、10 mg减水剂到100 mL离子水中以配制不同浓度的减水剂溶液,之后再分别向其中加入1 g水泥.搅拌5 min后,通过离心机分离出水泥颗粒,用紫外—可见分光光度计测定上清液中减水剂浓度,根据水泥吸附减水剂分子前后溶液中浓度的变化,用以下公式计算吸附量[5]:

其中:ns是(mg/g)吸附量,C0和C分别是减水剂吸附前、后的浓度(mg/mL),V为溶液体积(mL),m代表水泥的质量(g).

2 结果讨论

2.1 丙烯酸(AA)对浆体流动度的影响

羧基(-COO-)提供静电作用,聚氧乙烯(PEO)接枝链提供空间位阻效应,因此当减水剂分子中AA含量不同时,产生的静电作用和空间位阻效应就不同,进而对水泥浆体流度产生的影响也不同.从图2可以看到,水泥浆体流动度先随着AA含量的增加而增加,当n(AA)/n(APEG)为5∶1时达到最大值310 mm,而后减小.原因是AA给聚合物中引入-COO-,当n(AA)/n(APEG)小于5∶1时,随着AA比例的增加,聚合物阴离子电荷密度会增加,会使APCs更加容易地吸附在水泥颗粒表面,所以,吸附量和APCs分散性明显增加;随着AA在聚合物中的比例进一步增加,APEG摩尔分数会降低,导致PEO侧链的空间位阻减弱、水泥浆体的流动性能下降.

2.2 二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)对浆体流度的影响

DMDAAC对水泥流动性的影响如图3所示.水泥浆体的流度随着DMDAAC含量的增加先增加,然后下降.当n(DMDAAC)/n(APEG)为0.5∶1时,流度达到最大值315 mm.APCs聚合物中一定数量DMDAAC阳离子基团能吸附在水泥颗粒表面阴离子电荷区域(Ca3S,Ca2S),因此APCs吸附量和分散性得到了提高.然而,过多的DMDAAC,即n(DMDAAC)/n(APEG)大于0.5∶1时,导致阴离子基团和阳离子基团的聚集和聚合物电荷密度下降,这对APCs在水泥颗粒表面的吸附是不利的.结果致使APCs分散能力降低.

图2 丙烯酸(AA)对浆体流动度的影响

图3 DMDAAC对浆体流动度的影响

2.3 二烯丙基二甲基氯化铵(DMDAAC)对吸附量的影响

图4 DMDAAC对吸附量的影响

图5 APCs对水泥颗粒Zeta电位的影响

图4显示减水剂在水泥颗粒表面的吸附等温线.对于每个吸附等温线,吸附量随减水剂用量的增加而明显增加,然后达到饱和吸附量.然而,APCs与PCs有明显不同的吸附能力.水泥颗粒对APCs显示出高的吸附能力,对PCs分子表现出低的吸附能力.APCs在6 g/L时,水泥粒子达到饱和吸附量,而PCs在8 g/L时水泥粒子还未达到饱和吸附量.原因在于APCs的阳离子基团可以吸附在带负电荷(Ca3S,Ca2S)的水泥颗粒表面,因此,增加APCs的含量可以提高饱和吸附量.

2.4 APCS对水泥颗粒Zeta电位的影响

静电斥力理论和空间位阻理论是聚羧酸系高效减水剂作用机理最重要的两个解释,近年来,越来越多的研究者指出空间位阻效应是聚羧酸系高效减水剂的主要机理.Yoshiok[6]指出:同传统的萘系磺酸盐减水剂比较,吸附聚羧酸系高效减水剂的水泥颗粒表面电荷绝对值较低.Plank的研究表明,随着聚羧酸高效减水剂用量的增加,水泥颗粒表面的静电荷会变化很小[7].试验结果表明,空间位阻效应是吸附在水泥颗粒表面的聚羧酸系高效减水剂的主要分散机理.APCs的用量对水泥颗粒Zeta电位的影响如图5所示,随着APCs的用量从2 mg/(g水泥)增加至10 mg/(g水泥)时,水泥颗粒的Zeta电位从-2.50 mV变化到-2.10 mV.微小的电位变化揭示了水泥颗粒表面的静电荷也是微小变化.Yoshioka和Plank[6-7]的研究也得到了与此一致的结论,这一结果表明,空间位阻效应是APCs的主要作用机理.

3 结语

(1)APCs是一种新型的两性聚羧酸系减水剂.AA、DMDAAC在APCs结构中的比例会显著影响水泥的分散性和吸附能力,随着AA比例的增加,水泥浆体的流动度先增大后减小.当n(AA)/n(APEG)为5∶1时,APCs的分散性最好;同样,随着DMDAAC比例的增加,水泥浆体的流动度也是先增大后减小.

(2)APCs比阴离子型PCs的饱和吸附量大.

(3)水泥颗粒Zeta电位和APCs用量的关系表明空间位阻是APCs的主要作用机理.

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【责任编辑 曹 静】

Effect of an Amphoteric Polycarboxylate Superplasticizer on Dispersion Properties of Cement

CAO Qiang1,TIAN Xiao-juan2
(1.School of Chemistry and Life Science,Weinan Normal University,Weinan 714099,China; 2.Shaanxi Research Design Institute of Petroleum and Chemical Industry,Xi'an 710054,China)

A novel amphoteric polycarboxylate superplasticizer was prepared by solution copolymerization from Acrylic acid (AA),allyl polyethylene glycol(APEG),Diallyldimethyl ammonium chloride(DMDAAC).Effects of monomers on performance of APCs were investigated.Zeta potential and adsorption characteristics were also tested.Results indicated that introducing of cationic monomer can increase the saturation adsorption amount and dispersion properties.Zeta potential measurements indicated steric repulsion between the cement particles carrying adsorbed polymer molecules is the main mechanism for dispersion.

amphoteric;superplasticizer;dispersion properties;adsorption

TQ316.3

A

1009-5128(2014)07-0024-04

2014-01-15

曹强(1980—),男,陕西蓝田人,渭南师范学院化学与生命科学学院讲师,陕西科技大学博士研究生,主要从事绿色化学品研究.