聚羧酸系和脂肪族系高效减水剂选用及合理掺量研究

王 兴

(福建林业职业技术学院,福建 南平 353000)

0 引言

减水剂起源时间较早,目前已经经过了多年的发展和不断改进。1961年,国外科学家研制出了第一代高效减水剂[1]。相比之前使用的木质素磺酸盐减水剂来说,性能明显提升,因此也被称作是“超塑化剂”。经过几十年改进后,第二代高效减水剂问世,其典型代表有氨基磺酸盐。聚羧酸高效减水剂是羧酸和磺酸经聚合反应而生成的第三代高效减水剂,性能明显优于其它类型减水剂。聚羧酸减水剂其水泥分散性能十分优异,有助于混凝土拌和物流动性的提升,有助于混凝土坍落度的提升,有助于降低水泥拌和过程中的用水量,显著改善混凝土特性。也有部分减水剂会提升混凝土的坍塌速度,增加经时损失,若提高掺量可能出现泌水现象[2]。高效减水剂通常情况下不会影响混凝土的凝结时间,可能掺量过多时会出现延迟凝结的现象,但并不会影响混凝土的早期抗压强度。

1 聚羧酸系和脂肪族系高效减水剂的特点

根据减水剂减水效果和抗压提升效果的差异可以将其分为普通、高效、高性能等几种类型的减水剂。如木质素磺酸盐等减水率低于8%的减水剂被业界认为是普通减水剂,又被称为塑化剂。如氨基磺酸盐类、脂肪类、萘系以及密胺类等减水率高于18%的被业界认为是高效减水剂,又被称为超塑化剂。高性能减水剂是包括聚羧酸类高效减水剂等在内的、减水率大于25%的减水剂。

1.1 聚羧酸系高效减水剂的特点

聚羧酸减水剂(Polycarboxylate Superplasticizer),有固体和液体两种存在形式,也是目前混凝土中应用最多的一大类减水剂[3]。聚羧酸类高效减水剂根据主链的不同结构可以分为两大类,分别为甲基丙烯酸或丙烯酸为单元组成的不同主链长度的聚醚高效减水剂和主链结构为不同侧链长度的马来酸酐单元组成的聚醚类高效减水剂。近些年在这两大类聚羧酸高效减水剂的基础上,有许多类似结构的减水剂被研发出来。

与传统减水剂相比,聚羧酸类高效减水剂具有以下几个优点[4]：

1)该类高效减水剂可以有效降低水泥使用量。聚羧酸类高效减水剂的一般掺量为胶凝材料总量的0.5%～1.3%之间,因自身具有较为良好的颗粒分散性能,减水效果比传统减水剂提升许多,通常情况下可以达到15%～30%。和粉煤灰等混合使用时水胶性显著下降,通常情况下适合于中等强度和高等强度性能的混凝土。与传统减水剂相同的是可以有效降低拌和水和水泥的使用量,节约成本,提高经济效益。

2)第二,聚羧酸类高效减水剂可明显改善混凝土流动性,显著降低混凝土在坍落度下的经时损失,在较小掺量的条件下和粉煤灰等复合使用也可以得到流动性能良好的混合物,在混凝土中适用范围极其广泛,特别是针对容易堵塞水泵和混凝土来说,聚羧酸类高效减水剂是良好的选择。

当然,优点只是相对的,在施工生产中聚羧酸类高效减水剂可能遇到下列问题：

1)搅拌车卸料过程中操作起来较为复杂,原因可能为水泥与聚羧酸之间具有严重的不适应性。因此在开工之前应做好所有批次水泥复配试验,确定最佳复配比例,早日发现问题,并及早解决。

2)混凝土拌和物的坍落度可能突然变大,并出现泌水现象。遇到这类型问题时应及时对外加剂的掺量进行适当调整。

3)为了便于施工,施工人员肆意加大了减水剂的掺量,导致混凝土硬化后表面会有不同大小及数量的气泡。处理办法为安排专业施工人员,严格按照预设的配合比施工,如果有必要可以对施工工艺进行适当调整,加强施工作业管理。

4)减水剂的掺量加大或者养护温度不够时,容易导致混凝土凝结硬化速度较慢,应该适当延长混凝土的养护时间。

5)混凝土坍落度与预料值之间存在较大的差异,两种外加剂混合使用过程中会出现不相容现象。

1.2 脂肪族系高效减水剂的特点

脂肪族系高效减水剂是由丙酮经磺化反应后生成的一类羰基焦醛,属于一种阴离子表面活性剂。分子结构中的疏水基团为脂肪烃,具有高效的减水功能。该类型高效减水剂最早是在河南省出现的,但因原材料中含有甲醛、丙酮等危险化学品和易燃易爆化学品,导致脂肪族系高效减水剂和萘系高效减水剂逐渐被其它产品所取代。但脂肪族系高效减水剂具有水泥种类的广泛适应性,具有显著提升混凝土强度的优点,坍落经时损失低,且处于低温状态时脂肪族系高效减水剂几乎不会出现硫酸钠结晶问题。基于这些特点,脂肪族系高效减水剂在配制延缓凝结、早强、泵送剂、引气以及防冻等减水剂方面应用较为广泛,也常和聚羧酸类高效减水剂、氨基高效减水剂和萘系高效减水剂复合使用。

脂肪族系高效减水剂主要包括以下几个方面的特点：

1)脂肪类高效减水剂具有较高的减水率。掺量在1%～2%之间时的减水率即可达到15%～25%。在坍落度一致的条件下,使用脂肪类高效减水剂可有效降低水泥用量约30%。

2)具有显著的增强和早强效果。混凝土中加入脂肪类高效减水剂后,强度3 d左右的时间内即可达到预定强度的2/3,一周即可达到预设强度,四周时间强度是空白混凝土强度的1.5倍。

3)具有显著的保塑性能。脂肪类高效减水剂和葡萄糖酸钠、麦芽糊精等缓凝剂掺杂使用可有效降低混凝土坍落度的经时损失,1 h内经时损失几乎没有,1.5 h内坍落度经时损失约10%。

4)脂肪类高效减水剂具有广泛的水泥适用性、良好的粘合性能及和易性,可以与多种多样的混凝土外加剂同时使用。

5)可以有效提升混凝土的抗硫酸盐腐蚀、抗渗和抗冻融效果以及其它物理化学特性。

6)在以下几种类型的混凝土中适用性较强,包括流态塑化混凝土、蒸养混凝土、自然养护混凝土、耐久性抗冻融混凝土、防水抗渗混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土和抗硫酸盐腐蚀混凝土等。

7)脂肪类高效减水剂具有阻燃、抗钢筋腐蚀、无毒特性,且在冬天寒冷的条件下不容易出现硫酸钠结晶体。

脂肪族系高效减水剂的建议使用方法:通常情况下,结合实验实际计算和推测最佳掺量,一般为1.5%～2.0%,将拌和水和脂肪族系高效减水剂一起加入到混凝土里;可以先加入拌和水,后加入脂肪类高效减水剂,但需要注意的一点是加入减水剂后需要延迟搅拌时间0.5 min。脂肪族系高效减水剂具有较强的减水效果,所以在混凝土中初凝前,混合物表层可能出现薄薄的一层黄色浆状物,这属于正常现象。打好混凝土,收集浆液后黄色会自动消除,也基本不会对混凝土的性能造成影响。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料和设备

实验材料如表1所示,原材料性能指标如表2和表3所示。

表1 实验材料表Table 1 Experimental materials

表2 水泥力学性能指标Table 2 Mechanical properties of cement

表3 砂土和碎石的骨科性能指标Table 3 Sand and gravel orthopaedic performance indicators

所用实验设备如表4所示。

表4 实验设备表Table 4 Experimental equipment list

2.2 实验方法

依照国家标准GB/T8077-2000《混凝土外加剂均质性实验方法标准》相关资料对水泥净浆和经时损失进行测定。

3 实验结果

3.1 聚羧酸系减水剂和聚羧酸系与脂肪族系高效减水剂掺杂对混凝土抗压强度、减水率以及坍落度经时损失的影响对比

依照国家标准GB/T8077-2000《混凝土外加剂均质性实验方法标准》相关资料要求测定混凝土抗压能力、减水率以及坍落度经时损失。

3.1.1相同坍落度下复合减水剂的减水率和抗压强度对比

由表5和表6可以看出,坍落度一致的条件下,高效减水剂混凝土的减水效果和抗压效果明显优于空白对照品,聚羧酸系高效减水剂单独使用效果最优,而脂肪族系高效减水剂单独使用时减水效果和抗压效果最差,两种减水剂掺杂后的效果介于二者单独使用之间。

表5 减水剂编号及其组成Table 5 The serial number

表6 不同减水剂的减水率和抗压强度对比Table 6 Comparison of water reduction rate and compressive strength of different water reducers

3.1.2相同水灰比下的混凝土坍落度

表7 相同水灰比下的混凝土坍落度Table 7 Under the same water-cement ratio of concrete slump

由表7可以看出,相同水灰比下,高效减水剂混凝土与空白对照品相比坍落度明显增加,坍落经时损失较小。聚羧酸系高效减水剂单独使用效果最优,而脂肪族系高效减水剂单独使用时坍落经时损失效果最差,两种减水剂掺杂后的效果介于二者单独使用之间。

3.2 聚羧酸系减水剂和聚羧酸系与脂肪族系高效减水剂掺杂对水泥流动能力的影响对比

水灰比例约3∶10,在此条件下测定聚羧酸系减水剂和聚羧酸系与脂肪族系高效减水剂掺杂对水泥流动能力的影响,结果如表8所示。

表8 高效减水剂掺杂对水泥流动能力的影响Table 8 High efficiency water reducer doped on cement flow capacity

由表8结果可知,脂肪族系高效减水剂单独使用,水泥初始净浆流动速度、净浆流动损失效果一般,1.8%掺量初始流动速度约259 mm,1.5 h后流动速度可以保持在175 mm左右。聚羧酸系高效减水剂使用过程中水泥初始净浆流动速度、净浆流动损失效果均明显优于脂肪系高效减水剂的应用效果。

聚羧酸系高效减水剂和脂肪族系高效减水剂依照三种比例复合掺量后,效果更为良好。其中80%聚羧酸系高效减水剂+20%脂肪系高效减水剂、50%聚羧酸系高效减水剂+50%脂肪系高效减水剂两种掺量时,水泥初始净浆流动速度、净浆流动损失效果均明显优于聚羧酸系高效减水剂单独使用的效果。由此结果可以看出,对于P.O 42.5R普通硅酸盐水泥来说,聚羧酸系高效减水剂与脂肪族系高效减水剂复合使用效果良好。

原因分析:聚羧酸系高效减水剂与脂肪族系高效减水剂复合使用,聚羧酸族系高效减水剂在水-水泥分散体系中具有较高的吸附性和吸附速率,产生的动电位明显低于其它减水剂。而动电位的高低是减水剂分散性能的主要体现方式,且两种减水剂分子间作用力可能影响该体系的分散程度。单独使用聚羧酸系高效减水剂会占据其它减水剂的空间而遗留在溶液中。水化作用的加剧,使得水化物将减水剂覆盖,而聚羧酸系高效减水剂可以延缓覆盖速度,如此产生的二次吸附可以降低动电位。因此,聚羧酸系高效减水剂单独使用效果明显优于脂肪族系高效减水剂。但复合减水剂的使用也可以增强分子间作用力,同时影响减水剂的分散性能,混合使用效果可能更好[5]。

4 结论

综合以上结果来看,高效减水剂混凝土与空白对照品相比坍落度、减水率和抗压强度明显增加,坍落经时损失较小。聚羧酸系高效减水剂单独使用效果最优,而脂肪族系高效减水剂单独使用时坍落度、减水率和抗压强度效果最差,两种减水剂掺杂后的效果介于二者单独使用之间。聚羧酸系高效减水剂使用过程中,水泥初始净浆流动速度、净浆流动损失效果均明显优于脂肪族系高效减水剂的应用效果[6]。聚羧酸系高效减水剂和脂肪族系高效减水剂依照三种比例复合掺杂后,初始净浆流动速度、净浆流动损失效果更为良好。