聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中的应用研究

张栓红，张明，贾吉堂，贾守伟，张培林，王惠忠

（山东华伟银凯建材科技股份有限公司，山东 淄博 256410）

聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中的应用研究

张栓红，张明，贾吉堂，贾守伟，张培林，王惠忠

（山东华伟银凯建材科技股份有限公司，山东 淄博 256410）

制备了一种大掺量工业废渣粉混凝土用聚羧酸增效剂，并研究了掺加该聚羧酸增效剂的工业废渣粉混凝土的性能。试验结果表明，制备的聚羧酸增效剂分散激发组分中，单体的最佳摩尔比为：n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1；在大掺量工业废渣粉混凝土中，聚羧酸增效剂的最佳添加量为胶凝材料用量的3.5%；在此最佳掺量下，可以用工业废渣粉替代80%的水泥，早期强度大大提高，28 d抗压强度与基准混凝土非常相近。

混凝土；工业废渣粉；聚羧酸增效剂

节约水泥用量和利用工业废渣作为水泥和混凝土掺合料的资源化一直都是世界性的研究热点。作为工业废渣粉主要成分的矿粉和粉煤灰主要由氧化硅和氧化铝组成，具有潜在的水化活性。但由于矿粉和粉煤灰的硅氧和铝氧三维空间——网络结构玻璃体中的硅氧键和铝氧键比较牢固，当粉煤灰单独与水拌和时，水化反应极慢，水化产物数量较少，得不到足够的胶凝性能，影响了大掺量工业废渣粉混凝土的强度。要提高大掺量工业废渣粉混凝土的性能，就必须通过激发剂破坏玻璃体表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al和Si—O—Al网络结构[1-10]。

发达国家工业废渣的利用率达到70%以上，而我国的利用率低于40%。国外应用工业废渣激发剂已有几十年的发展历史，国内起步较晚而且应用效果不理想。

目前，国内市场上的激发剂产品大都采用无机材料或者无机与有机材料通过简单复配而成，存在掺量大、成本高、稳定性低、激发效果和适应性差的问题[11-12]。

为此，本文研制了一种能有效地激发工业废渣粉活性的混凝土用大掺量工业废渣粉增效剂，从而实现在保证混凝土性能的前提下，可以用工业废渣粉代替80%的水泥，早期强度明显提高，且制法简单合理，易于生产，配制的混凝土抗压强度高、耐久性能好。

1 实验

1.1 原材料

甲基烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）：辽宁奥克化学股份有限公司；甲基丙烯酸（MAA）：工业级，山东开泰实业有限公司；烯丙基磺酸钠、过硫酸钾（K2S2O8）：试剂级，天津市凯通化学试剂有限公司；亚硫酸氢钠（NaHSO3）：试剂级，天津光复化学试剂公司；巯基类链转移剂：试剂级，天津市科密欧化学试剂有限公司；三乙醇胺：分析纯，烟台市双双化工有限公司；二羟乙基乙二胺：分析纯，苏州联胜化学有限公司；硫氰酸钠、硫氰酸镁：分析纯，淄博市博山双田化工制造有限公司；糖蜜：青州宏盛科技。

山铝牌P·O42.5水泥；临朐中砂，细度模数为2.6～3.0，含泥量＜2.0%；边河碎石，5～25 mm连续级配，含泥量＜1.0%；莱芜电厂Ⅱ级粉煤灰；张店钢铁厂矿粉，S95级。

1.2 试验仪器

恒温水浴锅：HH-S1，金坛市晶玻试验仪器厂；数显电动搅拌器：JJ-1A，常州普天仪器制造有限公司；旋转黏度计：NDJ-1，上海安德仪器设备有限公司；电热鼓风干燥箱：龙口市电炉总厂；水泥净浆搅拌机：NJ-160A，无锡建仪仪器机械有限公司；混凝土试验用强制式搅拌机：HJW60型，无锡建仪仪器机械有限公司；微机控制压力试验机：WHY-2000，上海华龙测试仪器有限公司。

1.3 分散激发组分的制备

向四口烧瓶中加入一定量的HPEG大单体和去离子水，升温至40℃后，加入一定量的SAS和NaHSO3，搅拌10min。开始向烧瓶内滴加共聚单体溶液A和引发剂溶液B。A料由MAA、链转移剂和一定量水配成，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，保温1.0 h，降温，加碱调节pH值至7～8，得到固含量为40%的产品，作为聚羧酸增效剂的分散激发组分，待用。

1.4 聚羧酸增效剂的制备

将一定量的水、硫氰酸钠、硫氰酸镁和糖蜜按顺序加入四口反应瓶中，搅拌10 min，使其完全溶解；再向烧瓶中依次加入分散激发组分、三乙醇胺、二羟乙基乙二胺，搅拌至其混合均匀，即得固含量为20%的聚羧酸增效剂产品。

1.5 混凝土性能测试方法

按GB 8076—2008《混凝土外加剂》和GB/T 50082—2009《普通混凝土长期耐久性能试验方法》对混凝土的强度和耐久性进行测试。基准混凝土配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）=330∶760∶1120∶210，大掺量工业废渣粉混凝土中聚羧酸增效剂添加量为胶凝材料用量的3%～5%，用水量以达到混凝土初始坍落度为（80±10）mm时为准。相对耐久性（200次）测试时，将28 d龄期的受检混凝土试件快速冻融循环200次后，测试动弹性模量保留值。

2 结果与讨论

2.1 聚羧酸盐减水剂中原料配合比的确定

在混凝土用大掺量工业废渣粉增效剂成分中，聚羧酸盐减水剂作为分散激发组分起到主要的作用。增效剂必须能破坏工业废渣粉玻璃体表面光滑致密、牢固的Si—O—Si、Al—O—Al 和Si—O—Al网络结构，还要具有一定的吸附分散能力。

研究了HPEG、MAA与SAS最佳摩尔比对大掺量工业废渣粉混凝土性能的影响。根据前期试验探索，选择HPEG、MAA 和SAS的摩尔比分别为1∶3∶1、1∶4∶1、1∶5∶1、1∶3∶0.5，研究了4种配合比条件下，大掺量工业废渣粉混凝土的抗压强度及相对耐久性，试验结果见表1。其它试验条件完全相同，试验所用的增效剂用量为胶凝材料的3.5%，大掺量工业废渣粉混凝土配合比为：m（水泥）∶m（矿粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石子）=70∶155∶105∶760∶1120，用水量以达到基准混凝土初始坍落度（80±10）mm为准。

由表1可见，当聚羧酸盐减水剂中n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1时，制得的聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中的应用效果最好，此时，混凝土早期强度较高，状态较好，不离析、不泌水，28 d抗压强度比为115%，动弹性模量保留值（200次）达97%。

2.2 聚羧酸增效剂掺量对混凝土性能的影响（见表2）

从表2可以看出，随着聚羧酸增效剂掺量的增加，混凝土的3 d、7 d及28 d抗压强度比提高，当掺量为3.5%时，混凝土3d抗压强度比为102%，继续增加聚羧酸增效剂的掺量，抗压强度比变化不大，综合考虑混凝土成本及性能，选择聚羧酸增效剂的掺量为3.5%。试验中发现，当聚羧酸增效剂掺量达到5.0%时，混凝土出现泌水现象。聚羧酸增效剂掺量为3.5%时，制得的混凝土和易性较好，不离析、不泌水，28 d抗压强度比达到112%。

2.3 工业废渣粉替代水泥的量

节约水泥用量和工业废渣资源化作为水泥和混凝土掺合料的资源化一直都是世界性的研究热点。用大量工业废渣粉替代水泥，可以得到低碳环保的混凝土，符合国家的发展战略。

研究了在自制聚羧酸增效剂的作用下，大掺量工业废渣粉混凝土中工业废渣粉对水泥的替代量对混凝土综合性能的影响，结果见表3。

由表3可见，在不掺加聚羧酸增效剂时，制得的大掺量工业废渣粉混凝土早期强度低，达不到施工要求。当工业废渣粉替代水泥量为80%时，3 d抗压强度比只有26%，掺加聚羧酸增效剂的工业废渣混凝土，早期强度增长快，3 d抗压强度明显提高，28 d强度为基准混凝土的90%以上；掺加聚羧酸增效剂的工业废渣粉混凝土，在保证混凝土性能相同的情况下，可以实现80%的水泥替代量。掺聚羧酸增效剂工业废渣粉混凝土比不掺聚羧酸增效剂工业废渣粉混凝土具有更高的抗压强度比和更好的耐久性。

3 结 语

制备了一种可以用于大掺量工业废渣混凝土的聚羧酸增效剂。考察了分散激发组分中单体配比对混凝土抗压强度及相对耐久性的影响，并研究了在大掺量工业废渣粉混凝土中，聚羧酸增效剂掺量及替代水泥量对混凝土性能的影响。

（1）在其它试验条件相同的条件下，当n（HPEG）∶n（MAA）∶n（SAS）=1∶4∶1时，制备的聚羧酸增效剂在大掺量工业废渣粉混凝土中应用效果较好，当其掺量为胶凝材料质量的3.5%时，制得的混凝土和易性较好，不离析、不泌水，28 d抗压强度比为115%，动弹性模量保留值（200次）达到97%。

（2）聚羧酸增效剂用于混凝土中，在保证其性能的前提下，可以用工业废渣粉（例如粉煤灰和钢厂废渣等）代替80%的水泥；掺加聚羧酸增效剂可以大大提高混凝土的早期强度，并具有优异的相对耐久性。

（3）用工业废渣替代大量水泥后，能有效降低混凝土的成本，具有高的性价比及广阔的市场前景。

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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

张栓红，女，1984年生，山东蒙阴人，硕士，工程师，主要从事高分子材料方面的研究。