天然高分子基混凝土減水劑合成與應(yīng)用

該文在材料過程工程學(xué)理論框架內(nèi),從可再生資源利用、環(huán)境保護(hù)等角度出發(fā),選擇可再生的天然高分子為主要原材料,通過化學(xué)合成制備新型混凝土減水劑/高效減水劑,系統(tǒng)的研究基于天然高分子的混凝土減水劑的合成條件與應(yīng)用性能。根據(jù)分子設(shè)計(jì)理論,首先采用棉纖維素為原材料,制備水溶性丁基磺酸纖維素醚(SBC),探討了反應(yīng)物配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)的影響。

作為對(duì)比,探討了硫酸酯化羥乙基纖維素(SHEC)、微波輻射方法制備淀粉順丁烯二酸半酯(SMHE)的合成條件及作為減水劑應(yīng)用的性能。采用傅立葉變換紅外光譜、核磁共振光譜、掃描電鏡、電感耦合等離子體發(fā)射光譜、凝膠滲透色譜等現(xiàn)代分析手段表征了分子結(jié)構(gòu)。為研究減水劑性能,測(cè)定了水泥顆粒吸附減水劑后ζ—電位,水泥顆粒對(duì)減水劑的吸附特性,減水劑在水泥顆粒表面的吸附層厚度,減水劑對(duì)水泥水化的影響以及產(chǎn)物對(duì)水泥水化物形貌的影響。減水劑合成的研究結(jié)果表明:氫氧化鈉與脫水葡萄糖單元及醚化試劑(1,4—丁基磺酸內(nèi)酯)摩爾比為NaOH:AGU:BS=2.5:1:1.7,最佳反應(yīng) 溫度為75℃,醚化反應(yīng)時(shí)間為4.5h。得到的SBC特性粘度為35.3ml/g(粘均分子量約29,000g/mol),丁基磺酸基團(tuán)取代度達(dá)到 0.38,1%摻量下水泥凈漿流動(dòng)度可達(dá)182mm。分次加堿的方法可將產(chǎn)物的取代度從0.38提高到0.67,數(shù)均分子量為6177g/mol,1%摻量凈漿流動(dòng)度270mm以上。在試驗(yàn)范圍內(nèi),SBC的取代度越高、分子量越低,越有利于減水分散作用的發(fā)揮取代度越小緩凝現(xiàn)象越嚴(yán)重,取代度適中的減水劑不會(huì)影響水泥/混凝土水化后期強(qiáng)度的發(fā)展,而且表現(xiàn)出良好的流動(dòng)度保持性,水泥顆粒表面ζ—電位(絕對(duì)值)隨SBC摻量的提高而明顯提高,且在 120min內(nèi)變化較小。

因此,不同取代度的SBC可以用作緩凝減水劑、減水劑和高效減水劑。合成的SMHE取代度達(dá)0.49,數(shù)均分子量為 7286g/molSHEC取代度達(dá)0.49,數(shù)均分子量為1978g/mol二者均可提高水泥凈漿流動(dòng)度,但摻量過高緩凝現(xiàn)象嚴(yán)重,均可用作緩凝減水劑。水泥對(duì)SBC的吸附符合Langmuir型等溫吸附,其極限吸附量在4.66mg/g～5.49mg/g范圍對(duì)SNF(商品萘系高效減水劑)和 SMHE的吸附同樣符合Langmuir型等溫吸附,前者極限吸附量為11.23mg/g,后者的極限吸附量是9.73mg/g。SNF、SBC和 SMHE的吸附層厚度分別是0.82nm、3.72nm和6.82nm,SBC約是SNF的4倍,SMHE約是SNF的8.3倍。吸附減水劑后,Ca2p 結(jié)合能發(fā)生不同程度位移,表明SNF、SBC、SMHE等三種減水劑在水泥顆粒上均發(fā)生化學(xué)吸附。為解釋SBC減水作用機(jī)理,采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水泥懸浮體系中水泥顆粒受力情況。計(jì)算結(jié)果表明,水泥顆粒表面吸附SBC形成3.72nm的吸附層后,消弱了水泥顆粒間的范德華引力,在水泥顆?？拷轿綄涌梢韵嗷嚎s時(shí),產(chǎn)生的空間位阻作用力遠(yuǎn)大于靜電斥力和范德華引力,對(duì)水泥顆粒的分散起主導(dǎo)作用而吸附層未相互壓縮時(shí),水泥顆粒的分散主要依賴于靜電斥力作用。因此,SBC減水分散作用是空間位阻作用和靜電斥力協(xié)同作用的結(jié)果。

水泥漿中高效減水劑摻量與水泥絮凝顆粒分形維數(shù)間有關(guān),當(dāng)高效減水劑摻加到一定量時(shí),水泥絮凝顆粒分形維數(shù)D_f突變,該突變對(duì)應(yīng)的減水劑摻量與凈漿流動(dòng) 度法測(cè)定的高效減水劑飽和摻量吻合良好,因此將D_f突變對(duì)應(yīng)的減水劑摻量視為飽和摻量,從而建立了以分形維數(shù)確定高效減水劑飽和摻量的新方法,該方法與 Marsh筒及凈漿流動(dòng)度法相比具有方便、快捷、節(jié)約試驗(yàn)材料等優(yōu)點(diǎn)。在水泥絮凝理論的基礎(chǔ)上,研究了摻加減水劑前后水泥凈漿絮凝體積的變化規(guī)律,提出減水因子概念,它涵蓋了減水劑、水泥和混凝土的特性。

不同減水劑的減水因子在0～1范圍內(nèi),且趨于某定值。研究結(jié)果表明,不論哪種減水劑,減水因子越大則減水劑的減水分散效果越明顯,減水因子與水泥水化以及減水劑與水泥的相容性有一定關(guān)系。在相同工作性條件下,混凝土用水量隨而減水因子的增大而減小,并且基于減水因子計(jì)算的用水量與實(shí)際試配用水量非常接近?？梢?減水因子對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用,完善了混凝土配合比相關(guān)理論。 SBC減水率與其分子結(jié)構(gòu)有關(guān),1%摻量下砂漿減水率為11.2%～16.5%,混凝土減水率為9%～19%摻加SBC8的水泥砂漿抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度提高明顯。摻加SBC8的混凝土和易性良好,泌水率比小,保水性能優(yōu)于SNF。為測(cè)試SBC8實(shí)際應(yīng)用性能,配制了C40混凝土,其各齡期強(qiáng)度提高明顯, 干縮率在混凝土性能范圍內(nèi)。說明SBC具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。