早強(qiáng)聚羧酸減水劑的合成與應(yīng)用

周 芬 ，馬雙平， 朱華雄

(1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070； 2.武漢蘇博新型建材有限公司，武漢 430082)

工程需要提高混凝土的早期強(qiáng)度、加快工程進(jìn)度時(shí)，通常采用降低水膠比、提高水泥用量或等級(jí)、摻加早強(qiáng)劑來(lái)提高早期強(qiáng)度。這些做法會(huì)提高成本或是對(duì)混凝土質(zhì)量造成負(fù)面影響。早強(qiáng)型聚羧酸減水劑，既能提高混凝土的早期強(qiáng)度，又能使混凝土具有良好的施工性能，適用于有早強(qiáng)要求的混凝土工程。

早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的合成主要有兩條途徑。一種是采用分子量較高的聚醚[1-3]。側(cè)鏈長(zhǎng)而主鏈相對(duì)較短的聚羧酸分子的形狀由傳統(tǒng)的梳形變成倒“T”形，側(cè)鏈之間的距離也較大。在具有很強(qiáng)的空間位阻作用的同時(shí)，長(zhǎng)的聚醚類側(cè)鏈可以讓水分進(jìn)入到水泥顆粒中，保證水泥的正常水化；同時(shí)，早強(qiáng)型聚羧酸分子的側(cè)鏈較長(zhǎng)，改善了共聚物分子在水泥顆粒表面的吸附狀態(tài)，從而促使細(xì)小的鈣礬石晶體生成，加速混凝土早期強(qiáng)度的發(fā)展[3]。另一種是減水劑分子結(jié)構(gòu)中引入具有早強(qiáng)功能的單體[4-10]。如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨( DMC)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)、醇胺等。功能基團(tuán)與早期生成的Ca(OH)2反應(yīng)，加速C3S早期水化；此外，還能與Al3+、Fe3+等形成溶解度極小的絡(luò)合物，加速鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)溶解速率，促進(jìn)鈣礬石(AFt)等物質(zhì)的生成；水化早期生成較多的水合硅酸鈣(C-S-H凝膠)等產(chǎn)物，改善了水泥石的孔徑分布[10]。

該文采用分子量較高的聚醚大單體、丙烯酸和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸合成了一種具有長(zhǎng)側(cè)鏈以及功能基團(tuán)的早強(qiáng)聚羧酸減水劑，并通過(guò)混凝土試驗(yàn)測(cè)試了其性能。

1 原材料與儀器設(shè)備

1.1 減水劑合成原料

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；巰基乙酸；雙氧水；抗壞血酸；離子膜堿，含量32%；消泡劑；所有原料均為工業(yè)級(jí)。PE-N為自制標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑。

1.2 混凝土試驗(yàn)原材料

水泥：凈漿流動(dòng)度及混凝土性能測(cè)試所用水泥為中國(guó)中聯(lián)；砂、石骨料品質(zhì)規(guī)格均符合GB 8076—2008相關(guān)規(guī)定。

1.3 主要儀器設(shè)備

蠕動(dòng)泵、四口燒瓶、攪拌器、溫度計(jì)；混凝土試驗(yàn)攪拌機(jī)；混凝土含氣量測(cè)定儀；數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 減水劑合成

在配置有攪拌器、溫度計(jì)和滴加裝置的四口瓶中加入分子量4 000聚醚大單體水溶液，攪拌均勻。加入雙氧水后，再滴加預(yù)先配制的丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸水溶液和巰基乙酸、抗壞血酸水溶液，滴加時(shí)間為3 h，滴加結(jié)束后，保溫1 h完成聚合，加入液堿調(diào)節(jié)pH至6～7，最后再加入適量消泡劑，得到早強(qiáng)聚羧酸減水劑PE-Z。

2.2 性能測(cè)試

水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試按照GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性測(cè)試方法》；減水率、含氣量等混凝土性能指標(biāo)測(cè)試按GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行，減水劑測(cè)試摻量為水泥質(zhì)量的0.12%(折固)；按照GB/T50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試抗壓強(qiáng)度，使用規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件成型，并標(biāo)養(yǎng)至規(guī)定齡期后取出測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 凈漿流動(dòng)度

為了評(píng)價(jià)所合成的早強(qiáng)聚羧酸減水劑PE-Z的分散性能，以合成的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑PE-N為參照樣，分別測(cè)試了兩者不同摻量下初始及60 min的凈漿流動(dòng)度(結(jié)果見(jiàn)圖1)。在摻量范圍內(nèi)，PE-Z的凈漿流動(dòng)度及60 min保留值均略低于同摻量PE-N。這是由于標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑分子側(cè)鏈短且接枝密度高，空間位阻效應(yīng)更強(qiáng)，因而對(duì)水泥顆粒分散性更好[3]。

3.2 混凝土性能

表1可見(jiàn)，PE-Z及PE-N分別滿足GB 8076—2008標(biāo)準(zhǔn)中早強(qiáng)型高性能減水劑及標(biāo)準(zhǔn)型高性能減水劑指標(biāo)要求。PE-Z的減水率略低于PE-N，但凝結(jié)時(shí)間比后者短，早期抗壓強(qiáng)度比更高。此外，兩者的坍落度及保留值、含氣量和28 d抗壓強(qiáng)度比等測(cè)試結(jié)果基本一致。這說(shuō)明合成的PE-Z具有良好的早強(qiáng)效果，可促進(jìn)水泥的早期水化過(guò)程。

表1 混凝土性能檢測(cè)結(jié)果(GB 8076—2008)

3.3 工程應(yīng)用

針對(duì)某工程冬季C50預(yù)應(yīng)力箱梁早強(qiáng)要求，將合成的PE-Z早強(qiáng)型聚羧酸減水劑及常規(guī)工藝合成的PE-N標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑分別加水，稀釋成10%含量后進(jìn)行混凝土試配試驗(yàn)。所用原材料如下：PO 42.5水泥，密度3.05 g/cm3，比表面積3 970 g/cm2，化學(xué)成份分析結(jié)果及粒度分布分別如表2及圖2所示；S95級(jí)礦粉；2級(jí)粉煤灰；河砂，模數(shù)2.8；5～25 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

表2 水泥化學(xué)成份

混凝土配合比及測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表3和表4。與摻PE-N標(biāo)準(zhǔn)型聚羧酸減水劑相比，摻PE-Z的各齡期抗壓強(qiáng)度更高，且早期抗壓強(qiáng)度顯著高于摻PE-N配制的混凝土。根據(jù)對(duì)比結(jié)果，優(yōu)選PE-Z早強(qiáng)型聚羧酸減水劑應(yīng)用于該工程混凝土生產(chǎn)。工作性能良好，施工進(jìn)展順利，各項(xiàng)性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表3 C50混凝土配合比 (kg·m-3)

表4 混凝土應(yīng)用性能測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 論

a.通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備了一種早強(qiáng)型聚羧酸減水劑PE-Z，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)GB 8076—2008早強(qiáng)型高性能減水劑要求。

b.與合成的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)型PE-N相比，PE-N凈漿流動(dòng)度及減水率略低于普通聚羧酸減水劑，但早強(qiáng)性能顯著優(yōu)于PE-N。

c.將PE-N應(yīng)用于某工程C50預(yù)應(yīng)力箱梁混凝土施工，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。