潘陽,齊冬有,鄒德麟,汪源,汪智勇,郝祿祿,紀憲坤,張鈺,劉洪印
(1.武漢三源特種建材有限責任公司,湖北 武漢 430083;2.建筑材料工業(yè)技術監(jiān)督研究中心,北京 100024;3.中核國電漳州能源有限公司,福建 漳州 363300)
目前市場上常用的聚羧酸減水劑(PCE)合成聚醚大單體是TPEG和HPEG,隨著產(chǎn)品的創(chuàng)新,出現(xiàn)了以乙烯基乙二醇醚為起始劑的乙二醇單乙烯基聚乙二醇醚(EPEG)[1],EPEG單體憑借其結構的特點,具有反應溫度低、反應時間短、適應性強等優(yōu)點[2-4],現(xiàn)已逐漸在市場上推廣應用,但大多集中于研究減水型[5-8]和保坍型[9-11],對采用EPEG合成抗泥型減水劑的研究較少。本研究選用EPEG型聚醚大單體,通過7因素3水平正交試驗,研究酸醚比、鏈轉移劑用量、抗泥功單種類及用量、還原劑種類及用量、底料濃度等對六碳抗泥減水型減水劑分散性的影響,得到合成最佳工藝,在最佳合成工藝條件的基礎上,采用單一變量方法研究酸醚比和鏈轉移劑用量對抗泥減水劑性能的影響。
(1)合成原材料
乙二醇單乙烯基聚乙二醇醚(EPEG)、丙烯酸、巰基丙酸、維生素C(Vc)、還原劑E51、雙氧水、磺酸基團功能單體、聚乙二醇多元酯、封端磷酸酯:均為工業(yè)級;甲醛合次亞硫酸氫鈉(SF):分析純;水:自來水。
(2)試驗材料
水泥:洋房P·O42.5水泥;礦粉:S105級;粉煤灰:Ⅱ級;砂:機制砂,細度模數(shù)3.0~2.3;石:5~20 mm碎石;HPEG減水型聚羧酸減水劑:M11,固含40%,減水率40%,武漢三源特種建材有限責任公司;EPEG減水型聚羧酸減水劑:固含量40%,減水率40%,實驗室自制;鈉基膨潤土:廣州展飛化工科技有限公司。
稱取EPEG聚醚大單體溶于水中,攪拌30 min,配制為底料。將一定量的丙烯酸、抗泥單體溶液于水中,配制為A料,將一定量的還原劑和巰基丙酸溶于水中,配制為B料。待底料攪拌完成后,加入雙氧水,攪拌3~5 min,開始滴加A料和B料,A料滴加時間30 min,B料滴加時間60 min,反應過程中不控溫,待反應結束后加水,調節(jié)固含量至40%,即得到EPEG抗泥減水型聚羧酸減水劑。
選擇7因素3水平正交試驗,研究酸醚比[n(COO-)∶n(EPEG)]、鏈轉移劑用量、抗泥功能單體種類及用量、還原劑種類及用量對合成減水劑性能的影響,鏈轉移劑、功能單體和還原劑用量均按占聚醚單體質量質量百分比計,正交試驗因素水平設計如表1所示。
表1 正交試驗因素水平
(1)水泥凈漿流動度:參照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測試,摻入膠凝材料質量3%的鈉基膨潤土,減水劑母液折固摻量為膠凝材料的0.13%。
(2)混凝土性能:參照GB 8076—2016《混凝土外加劑》進行測試。
表2 正交試驗結果與分析
由表2可見,對摻減水劑水泥凈漿初始流動度的影響程度由大到小排序為:底料濃度>還原劑用量>還原劑種類>鏈轉移劑用量>功能單體種類>酸醚比>功能單體用量。最佳合成工藝條件為:酸醚比4.0、巰基丙酸用量2.0%、磺酸基團功能單體用量3.0%、還原劑SF用量0.18%、底料濃度65%。
PCE的性能由吸附量和分子的吸附結構決定,這取決于PCE的側鏈接枝密度(以酸醚比[n(COO-)∶n(EPEG)]的倒數(shù)表示)、側鏈長度、主鏈聚合度以及官能團[12]。本研究中所選用聚醚大單體的分子質量(側鏈長度)和功能單體(官能團)固定,所以在上述正交試驗最優(yōu)工藝的基礎上,主要研究側鏈接枝密度和主鏈聚合度的對合成減水劑性能的影響。
2.2.1酸醚比對合成減水劑分散性的影響
試驗設計酸醚比分別為3.0、3.5、4.0、4.5和5.0,酸醚比對合成減水劑分散性的影響如圖1所示。
圖1 酸醚比對合成減水劑分散性的影響
由圖1可見,隨著酸醚比的增大,摻減水劑水泥凈漿流動度呈先增大后減小,當酸醚比為4.5時,合成減水劑的抗泥、分散性能最佳。這是由于主鏈聚合度一定時,隨著酸醚比的增大,羧基密度逐漸增大,可提供錨固吸附的基團增多,吸附能力提高,吸附在水泥顆粒表面的數(shù)量增加,因此摻減水劑水泥凈漿流動度增大;但當酸醚比增大到一定值時,PCE在水泥顆粒表面的吸附趨于飽和,再繼續(xù)增加羧基密度則無法再增加PCE在水泥顆粒表面的吸附量,因此凈漿流動度有所減小。
2.2.2 鏈轉移劑用量對減水劑分散性的影響
鏈轉移劑主要調控主鏈的聚合度,當酸醚比與官能團固定時,不同主鏈長度的PCE在水泥漿中的空間構形不同,會使其在水泥顆粒表面的吸附量不同,因而表現(xiàn)為分散性上的差異。固定酸醚比為4.5,調整鏈轉移劑用量分別為1.6%、1.7%、1.8%、1.9%和2.0%,鏈轉移劑用量對合成減水劑分散性的影響如圖2所示。
圖2 鏈轉移劑用量對合成減水劑分散性的影響
由圖2可見,隨著鏈轉移劑用量增加,摻減水劑水泥凈漿流動度呈先增大后減小,當鏈轉移劑巰基丙酸用量為1.8%時,合成減水劑的抗泥、分散性能最佳。鏈轉移劑主要調控主鏈聚合度,主鏈聚合度大的減水劑擁有較多的吸附錨固基團和側鏈,容易吸附在水泥顆粒表面,單個PCE分子的覆蓋面積較大,因此在低摻量下也能發(fā)揮良好的分散性能;當主鏈過長時,部分鏈段相互卷曲、纏繞,不僅屏蔽了吸附基團,而且削弱了其空間位阻作用,使分散性能降低。說明減水劑仍需要具有適當?shù)闹麈滈L度,即可發(fā)揮最佳分散性能,主鏈過短或過長均會導致分散性能降低。
按上述最佳工藝參數(shù):酸醚比4.5、巰基丙酸用量1.8%、磺酸基團功能單體用量3.0%、還原劑SF用量0.18%、底料濃度65%,合成EPEG抗泥減水型PCE聚羧酸減水劑,并與EPEG減水型PCE和HPEG減水型PCE進行混凝土應用性能對比試驗。采用C35混凝土,3種PCE的折固摻量均為0.18%,混凝土配合比見表3,混凝土試驗結果見表4。
表3 C35混凝土的配合比 kg/m3
表4 混凝土試驗結果
由表4可見:在相同摻量條件下,摻EPEG抗泥減水型PCE混凝土的初始擴展度/坍落度與摻EPEG減水型PCE的混凝土相當,大于摻HPEG減水型PCE的;摻EPEG抗泥減水型PCE混凝土的30 min擴展度、坍落度分別為550、220 mm,大于EPEG減水型PCE的30 min擴展度、坍落度(450、200 mm)和HPEG型PCE的30 min擴展度、坍落度(310、185 mm)。表明EPEG抗泥減水型PCE在使用機制砂時具有良好的保坍性能,并具有一定的抗泥作用。另外,摻入EPEG抗泥減水型PCE對混凝土有一定的增強效果。主要由于EPEG抗泥減水型引入磺酸基團功能單體后,磺酸基團的吸附能力強于羧酸基團,能優(yōu)先吸附在機制砂帶有的黏土中,從而降低黏土對PCE的吸附作用[13]。
(1)正交試驗結果表明,各因素對合成EPEG抗泥減水型聚羧酸減水劑分散性的影響程度為:底料濃度>還原劑用量>還原劑種類>鏈轉移劑用量>功能單體種類>酸醚比>功能單體用量。
(2)通過正交試驗和單因素試驗得到合成EPEG抗泥減水型PCE的最佳工藝條件為:酸醚比4.5、巰基丙酸用量1.8%、磺酸基團功能單體用量3.0%、還原劑SF用量0.18%、底料濃度65%。
(3)混凝土試驗結果表明,在使用機制砂的情況下,EPEG抗泥減水型PCE的分散性和保坍性優(yōu)于HPEG減水型PCE和EPEG減水型PCE,并對混凝土有一定的增強作用。表明EPEG抗泥減水型PCE更適合在機制砂混凝土中應用。