聚羧酸超塑化剂与各种水泥的相容性问题

混凝土发展到今天已经经历了干硬性混凝土、塑性混凝土和流态混凝土等几个典型的阶段, 现代混凝土的发展对混凝土提出了高强度、高流动性、高耐久性等新的、更高的要求[1~2]。混凝土材料强度和流动性的大幅度提高, 化学外加剂和辅料 (主要是工业废渣) 的普遍应用, 标志着混凝土已进入到现代发展的新阶段。而现代混凝土的两个典型代表是自密实混凝土与超高强混凝土, 具有掺用大量工业废渣, 降低资源与能源消耗, 消除施工噪音污染等环境友好等一系列特点, 是符合我国国情及可持续发展的重要举措[3~5]。但从另一个来说, 化学外加剂、矿物掺和料的普遍使用也进一步加剧了混凝土材料的复杂性和多变性。因此, 对于我国这样一个水泥品种繁多、掺和料复杂、集料质量波动极大的国家, 系统研究各种可能因素对复合胶凝体系流变学的影响具有极其重要的现实意义。

对水泥强度的过分要求以及水泥生产厂家不断追逐利润驱使, 决定了目前水泥细度的不断增加、水泥中混合材的种类和掺量的日益丰富和加大。并最终使得水泥与外加剂之间的适应性变得越来越差。根据有关报道及相关工程实践证明, 水泥中C3A含量、水泥细度以及砂石中的含泥量对聚羧酸分散性能的发挥有着重大的影响。本文研究了几种具有不同结构的聚羧酸盐超塑化剂与各种水泥的相容性的问题, 旨在为聚羧酸盐超塑化剂的合理正确使用提供理论依据。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 聚羧酸盐超塑化剂

在配有水浴锅、温度计, 搅拌器, 蠕动泵和回流冷凝管的玻璃反应容器中, 加入一定量的去离子水, 在搅拌的情况下加热至85℃, 待温度稳定后, 分别滴加一定浓度的单体溶液和引发剂溶液, 待反应结束后, 冷却至40℃以下, 用30%的NaOH溶液中和至pH=6~8, 然后将所得的粘稠液体稀释至20%, 备用。所制备的聚羧酸盐超塑化剂的单体比例和结构特征如表1所示。

1.1.2 水泥

多数的商品水泥中常含有粉煤灰、磨细矿渣和石灰石等矿物。这些物质和水泥在对超塑化剂的吸附方面具有不同的行为表现。为排除这些矿物对吸附的影响, 本研究采用硅酸盐水泥熟料——二水石膏系统对聚羧酸与水泥的适应性进行研究, 其中, 熟料和二水石膏的质量比均为95∶5。水泥的化学和矿物组成如表2所示。

其中, C 1~C 3的比表面积分别为410kg/m2、421kg/m2、399kg/m2、矿物组成根据鲍格公式进行计算而得。

1.2 试验方法

1.2.1 凝胶色谱测试

将样品提纯、烘干、磨细并经乙醇沉淀后, 过虑干燥。用0.05%NaN3溶液做淋洗液。测定时用一系列不同分了量、分了量分布很窄的丙烯酸样品作为标样, 标样的分子量已预知, 在确定的实验条件下测定标样的GPC淋洗体积, 以标样的1nM对Ve作图即得分子量一淋洗体积标定曲线, 由曲线可确定标定方程。在此基础上, 在相同实验条件下由待测聚合物试样各级分的GPC淋洗体积分别求出相应的分子量, 得到聚合物试样的分子量分布曲线。1.3.4TOC吸附量测定

1.2.2 聚羧酸梳型共聚物匀质性试验

制备的不同结构的聚羧酸梳型共聚物按照GB8077~2000 (混凝土外加剂匀质性试验方法) 测定其净浆流动度、凝结时间。试验温度为20±2℃。

2 结果与讨论

2.1 水泥细度对聚羧酸超塑化剂分散性能的影响

水泥的细度是影响聚羧酸分散性能的一个主要因素, 水泥细度对不同分子结构聚羧酸性能的影响规律如图1、图2所示。

从图1可知, PC2和PC3超塑化剂分散能力均随水泥细度的增加而减小, 且PC3的下降程度大于PC2, 当比表面积小于400m2/Kg时, 水泥的细度对PC2的分散能力影响不大。这表明, 水泥的细度因素对长侧链的聚羧酸系超塑化剂分散能力的影响程度小于短侧链的。

从图2可知, 随着水泥细度的增加, PC3、PC4和PC5的分散能力逐渐下降;且分散能力的顺序为:PC3>PC4>PC5。这表明, 随分子量 (主链聚合度) 的减小, 超塑化剂的分散能力逐渐减小。

2.2 不同水泥对聚羧酸超塑化剂分散性能的影响

不同结构聚羧酸超塑化剂在各种水泥中的分散性能如图3~图5所示。

由图3可以看出, PC1~PC3的分散能力在C1水泥中的最低, C3最高, C2居中;在C1、C2和C3水泥中, 三者分散能力的大小顺序分别为, P C 1

 

由图4可以看出, PC3~5#超塑化剂在C1中的分散能力最低, 在C3中的分散能力最高, 在C2的分散能力居中;PC3和4#在各水泥中的分散能力较为接近, 5#在C1中的分散能力有所提高, 在C2和C3中, 分散能力有所下降。这表明, 从初始分散能力的角度考虑, 分子量的增加有利于适应性的提高。

由图5可以看出, PC3、PC6和PC7超塑化剂在C1中的分散能力最低, C3最高, C2居中;PC6分散能力在从C1到C3中几乎呈直线上升, M A A/M A A~M P E G比下降后, C1和C2的分散能力有所提高, C3的分散能力相差不大, 也即, 超塑化剂的适应能力上升;M A A/M A A~M P E G比继续下降后, C 1的分散上升, C2和C3的则略有下降, 但三者的差距减小, 这表明, 此时超塑化剂的适应能力进一步提高。从以上的分析可知, 从初始分散能力的角度考虑, M A A/M A A~MPEG比的下降有利于提高超塑化剂的对水泥的适应能力。

3 结语

(1) 水泥的细度对长侧链的聚羧酸系超塑化剂分散能力的影响程度小于短侧链聚羧酸。随主链聚合度的减小, 超塑化剂的分散能力逐渐减小。具有较高M A A/M A A~MPEG比可使的超塑化剂的分散能力降低, 并可增大由比表面积增加所引起的分散能力的降低。 (2) 侧链聚合度的增加, 有利于适应能力的增加, 但增加到25以后则相差不大。对于初始分散能力而言, 分子量的增加有利于适应性的提高。M A A/M A A~MPEG比的降低有利于提高超塑化剂的对水泥的适应能力。

摘要：聚羧酸超塑化剂以其优越的性能而成为目前我国混凝土减水剂发展的主要方向, 其研究和应用空前活跃。本文主要针对我国水泥品种繁多, 掺和料复杂的现状, 系统分析了单体比例、侧链长度以及主链聚合度等结构特征对聚羧酸超塑化剂适应性的影响。

关键词：聚羧酸,减水剂,水泥,适应性

参考文献

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[2] 熊大玉、王小虹.混凝土外加剂[M].化学工业出版社, 2002:10～14.

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