早强聚羧酸减水剂的合成与应用

2018-08-31马双平朱华雄

建材世界 2018年4期

周芬，马双平，朱华雄

(1.武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉 430070； 2.武汉苏博新型建材有限公司，武汉 430082)

工程需要提高混凝土的早期强度、加快工程进度时，通常采用降低水胶比、提高水泥用量或等级、掺加早强剂来提高早期强度。这些做法会提高成本或是对混凝土质量造成负面影响。早强型聚羧酸减水剂，既能提高混凝土的早期强度，又能使混凝土具有良好的施工性能，适用于有早强要求的混凝土工程。

早强型聚羧酸减水剂的合成主要有两条途径。一种是采用分子量较高的聚醚[1-3]。侧链长而主链相对较短的聚羧酸分子的形状由传统的梳形变成倒“T”形，侧链之间的距离也较大。在具有很强的空间位阻作用的同时，长的聚醚类侧链可以让水分进入到水泥颗粒中，保证水泥的正常水化；同时，早强型聚羧酸分子的侧链较长，改善了共聚物分子在水泥颗粒表面的吸附状态，从而促使细小的钙矾石晶体生成，加速混凝土早期强度的发展[3]。另一种是减水剂分子结构中引入具有早强功能的单体[4-10]。如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵( DMC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、醇胺等。功能基团与早期生成的Ca(OH)2反应，加速C3S早期水化；此外，还能与Al3+、Fe3+等形成溶解度极小的络合物，加速铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)溶解速率，促进钙矾石(AFt)等物质的生成；水化早期生成较多的水合硅酸钙(C-S-H凝胶)等产物，改善了水泥石的孔径分布[10]。

该文采用分子量较高的聚醚大单体、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸合成了一种具有长侧链以及功能基团的早强聚羧酸减水剂，并通过混凝土试验测试了其性能。

1 原材料与仪器设备

1.1 减水剂合成原料

甲基烯丙基聚氧乙烯醚，分子量4 000；丙烯酸；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸；巯基乙酸；双氧水；抗坏血酸；离子膜碱，含量32%；消泡剂；所有原料均为工业级。PE-N为自制标准型聚羧酸减水剂。

1.2 混凝土试验原材料

水泥：净浆流动度及混凝土性能测试所用水泥为中国中联；砂、石骨料品质规格均符合GB 8076—2008相关规定。

1.3 主要仪器设备

蠕动泵、四口烧瓶、搅拌器、温度计；混凝土试验搅拌机；混凝土含气量测定仪；数显压力试验机。

2 试验方法

2.1 减水剂合成

在配置有搅拌器、温度计和滴加装置的四口瓶中加入分子量4 000聚醚大单体水溶液，搅拌均匀。加入双氧水后，再滴加预先配制的丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水溶液和巯基乙酸、抗坏血酸水溶液，滴加时间为3 h，滴加结束后，保温1 h完成聚合，加入液碱调节pH至6～7，最后再加入适量消泡剂，得到早强聚羧酸减水剂PE-Z。

2.2 性能测试

水泥净浆流动度测试按照GB 8077—2012《混凝土外加剂匀质性测试方法》；减水率、含气量等混凝土性能指标测试按GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行，减水剂测试掺量为水泥质量的0.12%(折固)；按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试抗压强度，使用规格为150 mm×150 mm×150 mm标准试件成型，并标养至规定龄期后取出测定。

3 结果与讨论

3.1 净浆流动度

为了评价所合成的早强聚羧酸减水剂PE-Z的分散性能，以合成的常规标准型聚羧酸减水剂PE-N为参照样，分别测试了两者不同掺量下初始及60 min的净浆流动度(结果见图1)。在掺量范围内，PE-Z的净浆流动度及60 min保留值均略低于同掺量PE-N。这是由于标准型聚羧酸减水剂分子侧链短且接枝密度高，空间位阻效应更强，因而对水泥颗粒分散性更好[3]。

3.2 混凝土性能

表1可见，PE-Z及PE-N分别满足GB 8076—2008标准中早强型高性能减水剂及标准型高性能减水剂指标要求。PE-Z的减水率略低于PE-N，但凝结时间比后者短，早期抗压强度比更高。此外，两者的坍落度及保留值、含气量和28 d抗压强度比等测试结果基本一致。这说明合成的PE-Z具有良好的早强效果，可促进水泥的早期水化过程。

表1 混凝土性能检测结果(GB 8076—2008)

3.3 工程应用

针对某工程冬季C50预应力箱梁早强要求，将合成的PE-Z早强型聚羧酸减水剂及常规工艺合成的PE-N标准型聚羧酸减水剂分别加水，稀释成10%含量后进行混凝土试配试验。所用原材料如下：PO 42.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面积3 970 g/cm2，化学成份分析结果及粒度分布分别如表2及图2所示；S95级矿粉；2级粉煤灰；河砂，模数2.8；5～25 mm连续级配碎石。