摘 要:對萘系高效減水劑進行了改性研究;運用溶液聚合方法,獲得了一種低坍損高性能減水劑;討論了合成機理,測試了混凝土樣品性能;結果表明:該產品減水劑具有優(yōu)良的工作性能、高減水性、混凝土性能等特性.
關鍵詞:低坍損;萘系高效減水劑;改性;溶液聚合
傳統萘系減水劑具有高減水性,但混凝土坍落度損失大、發(fā)粘、減水率不能有效提高.添加復合緩凝成分的減水劑,質量不穩(wěn)定,影響混凝土凝結硬化和耐久性,為了改進這些性能,國內外研究者做了大量的試驗和探索,目前雖有對萘系減水劑化學改性的報道,但并未有突破性進展.國際上出現的聚羧酸類高效減水劑性能已超過了萘系產品,但價格昂貴,至今國內難以完整掌握該產品核心技術,還處在研制階段,萘系產品在較長一段時間內還有相當的市場.本文在不影響普通萘系減水劑優(yōu)良性能的基礎上,從降低拌合混凝土坍落度損失出發(fā),吸收聚羧酸類減水劑研究成果經驗[1],根據分散緩釋機理,結合萘系減水劑特性,進行了萘系減水劑的改性研究[2-3].
1 實驗
1.1 合成
1.1.1 合成原料與設備
工業(yè)萘含量95%;工業(yè)硫酸含量98%;工業(yè)甲醛含量37%;異丙胺試劑;帶溫度計;冷凝管;攪拌器;密封裝置的四口燒瓶;帶電熱套的自動溫控裝置.
1.1.2 合成方法與工藝路線
磺化:將一定量的萘置于反應器中緩慢升溫至熔化,在140℃條件下將一定量濃硫酸緩慢注入四口燒瓶,升溫至165℃連續(xù)攪拌反應2.5h;水解:降低溫度至120℃,在四口燒瓶中滴加少量水,反應0.5h;縮聚:滴加少量濃硫酸至酸度30%,調溫至110℃.中和:先慢后快滴入一定量甲醛密封攪拌,反應5.5h;加入異丙胺與萘磺酸聚合物反應,至pH=7制得低水溶性減水劑.
1.2 性能試驗
1.2.1 試驗材料
水泥:河南海軍水泥廠42.5P.R;安陽河砂:JGJ-52-79標準,模數2.6～2.9中砂;石子:JGJ-53-79標準,粒徑5～20mm.自制改性萘系減水劑;萘系高效減水劑UNF(β-萘磺酸與甲醛共聚合物).
1.2.2 測試標準與項目
參照GB/T8077-2000,GB8076-1997;聚合物液相物理化學性質;聚合物固摻量對凈漿性能的影響;聚合物固摻量對混凝土性能的影響.
2 結果與討論
2.1 原料配比選擇與聚合工藝條件的確定[4]有關萘的磺化、α-萘磺酸酸水解、β
溫度110℃時進行縮聚.產物羥甲基-β-萘磺酸縮聚物結構:
普通萘系減水劑往往采用NaOH、CaO與羥甲基-β-萘磺酸縮聚物進行中和反應形成萘磺酸鹽,制成低濃度、高濃度液體或粉劑.該類減水劑水溶性好,在混凝土中伴隨水泥水化作用很快吸附于顆粒表面,液相中濃度快速降低,導致坍落度損失迅速增大,降低了拌合混凝土質量;胺類有機物與高分子中的磺酸基團的反應類似于酸堿反應,能夠降低聚合物大
分子水溶性,但是在強堿性條件下又能釋出有機胺,恢復其溶解性能;羥甲基-β-萘磺酸聚合物與胺的反應,相當于把磺酸基封鎖起來,加入混凝土后隨水化作用介質堿性增強,緩慢釋出磺酸基,起到緩凝效果,降低坍落度損失.基于上述原理,本文選擇異丙胺,110℃下加入進行中和反應至pH=7.反應式:
2.2 聚合物的性質
該聚合物為大分子有機銨鹽,呈憎水性,在中性及弱堿性條件下是穩(wěn)定的,在強堿性條件下發(fā)生分解,重新轉化為磺酸和胺.其固體產品分解溫度較高,因此可制成固體產品使用.在摻入混凝土后,由于水泥水化過程由弱堿性向強堿性變化,在該過程中難溶大分子逐漸水解溶于水,磺酸基逐漸釋出,在一定時間內體相含量相對穩(wěn)定,使得混凝土具備較高的減水性和良好的保坍性能,在1h之內坍落度損失很小.產物相關物理化學性能如表1.該產品在反應條件下呈褐色水溶液狀態(tài),常溫、中性條件時產生沉淀,強堿性條件易水解;常溫溶解性見表2.
水泥水化時酸度變化,隨時間延長pH值增大,在30～90minpH值達最大12.5.即減水劑在該體系中時,磺酸根釋出需要一定時間,確保了混凝土坍落度損失在此段時間內基本不變或緩慢變化.
2.3 減水劑對水泥凈漿性能的影響
2.3.1 減水劑摻量對水泥漿體分散性的影響
由圖1可知普通萘系減水劑(系列1,市售UNF)與自制減水劑(系列2)在W/C=0.29時,減水劑摻量對水泥凈漿流動度的影響,表明改性減水劑分散性良好.
2.3.2 減水劑在水泥中分散性保持效果
圖2:在25℃,減水劑摻量各為水泥用量0.7%條件下,測定了水泥凈漿流動度隨時間的變化關系.(系列1,市售UNF;系列2,自制減水劑)結果表明:自制改性減水劑的凈漿流動性保持效果遠高于市售UNF產品的流動性保持效果;并且自制改性減水劑在摻加初期,水泥凈漿流動性呈上升趨勢,這是由于水泥水化,介質堿性增強,減水劑緩慢釋放所致.
2.4 減水劑對混凝土性能的影響
2.4.1 減水劑摻量與坍落度關系
在混凝土配比C∶S∶G∶W=3.3∶7.6∶11.5∶2.1條件下,坍落度85mm,改變減水劑用量,其用量與坍落度變化關系如圖3.表明隨減水劑摻量增加坍落度增大,當減水劑摻量大于0.7%時坍落度增大減慢.
2.4.2 摻加減水劑混凝土坍落度(坍落度損失)
在分別0.7%減水劑摻量下,市售UNF與自制減水劑測試數據如表3.數據表明:改性減水劑與同類產品相比具有良好坍落度保持效果,方便大型施工,對降低施工消耗,提高施工質量,有重要意義.
2.4.3 減水劑摻量對混凝土減水率和制品抗壓強度的影響
以初始坍落度80mm的空白減水劑混凝土水含量為基準,分別測試了以水泥量0.3%,0.4%,0.5%,0.6%,0.7%,0.8%,0.9%的減水劑摻量下減水率和制品在3d,7d,28d的抗壓強度與抗壓強度比.測試結果如表4.
表4表明混凝土減水率隨減水劑摻量增大而增大,該減水劑在水泥中具有良好的分散穩(wěn)定性;抗壓強度隨減水劑摻量增大而增大,說明了該產品的混凝土增強效果;抗壓強度比隨減水劑摻量增加,在短時間內增長很快,28d試樣測試,減水劑制品抗壓強度比接近155,減水劑含量繼續(xù)提高,抗壓強度及強度比無明顯增加.
3 結論
該減水劑具備優(yōu)異的工作性能:表現在保坍性能遠優(yōu)于普通萘系減水劑,1h內幾乎無坍落度損失;同時對水泥凈漿流動性、混凝土的減水性、抗壓強度等主要指標無不良影響;生產工藝簡單,便于推廣應用:該生產工藝是在普通萘系成熟工藝上的改進,只是在中和反應階段,選用了新的對施工有利堿性組分;使用操作方便:混凝土一次拌合,不再引用復合緩凝材料,不再采用后摻或多次摻加及現場拌合等繁瑣操作.
參考文獻
[1] 蔡希高.高性能外加劑主導官能團理論[J].化學建材,1999(1):24-27.
[2] 雷燕軍.β-萘磺酸鈉縮甲醛與木鈣復合高效減水劑及其復合效應試驗研究[J].
混凝土,2002(4):12-14.
[3] 齊亞非.高俊剛.改性萘系減水劑的合成與性能表征[J].化學建材,2003(3):28-30.
[4] 徐壽昌.有機化學[M].北京:高等教育出版社,1993.
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