聚羧酸系高性能減水劑與常用減水劑復(fù)配性研究

1、聚羧酸系高性能減水劑與常用減水劑復(fù)配性研究孫振平，蔣正武，王建東，張冠倫，何偉卿，謝小江【摘要】：本文闡述了聚欺酸系減水劑( PC)的性能特點(diǎn)和應(yīng)用趨勢(shì)。就PC與常用的5種減水劑，即木質(zhì)素磺酸鹽減水劑( LS )、萘系高效減水劑( NSF )、密胺系高效減水劑(MSF),羧基焦醛高效減水劑(SAF)、和氨基磺酸鹽系高效減水劑( ASF)之間的復(fù)配性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:(1)僅從溶液的互溶性來看，實(shí)際工程中PC與MSF或SAF減水劑溶液不能復(fù)配在一起摻加，PC可與LS,NSF,ASF進(jìn)行復(fù)配;(2)從復(fù)合摻加后的疊加效果來看，PC與LS和SAF存在復(fù)合摻加使用的可能性，但由于PC與SAF

2、不互溶，實(shí)際上PC只能與LS進(jìn)行復(fù)配使用。【關(guān)健詞】：聚羧酸系減水劑，木質(zhì)素磺酸鹽減水劑，萘系高效減水劑，密胺系高效減水劑，羧基焦醛高效減水劑，氨基磺酸鹽高效減水劑，相溶性，復(fù)配 聚羧酸系減水劑是一類分子中含羧基接枝共聚物的表面活性劑，其分子結(jié)構(gòu)呈梳形;主鏈短，由含羧基的活性單體聚合而成，側(cè)鏈長(zhǎng)，主要為PEO鏈;具有較高的空間位阻效應(yīng)。其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如摻量低、減水率高、坍落度損失小、對(duì)凝結(jié)時(shí)間影響小、使用效果不受摻加順序影響等，其某些性能還可以通過優(yōu)化合成工藝而達(dá)到，如活用聚合方法可調(diào)整分散性能和引氣性能等。另外，由于聚羧酸系減水劑合成生產(chǎn)過程中不使用甲醛和其他任何有害原材料，屬于環(huán)境友好型

3、的減水劑產(chǎn)品。所以，聚羧酸系減水劑非常受研究界和工程界重視。 目前，聚羧酸系減水劑已成功地在高強(qiáng)混凝土、自密實(shí)混凝土、清水混凝土、混凝土預(yù)制精品構(gòu)件等特種混凝土中應(yīng)用，取得較好效果。另外，我國東部地區(qū)的部分?jǐn)嚢枵疽呀?jīng)開始使用聚羧酸系減水劑來配制商品混凝土。 為適應(yīng)不同工程的要求，或?yàn)榻档彤a(chǎn)品成本、擴(kuò)充產(chǎn)品種類、形成系列化產(chǎn)品，通常將不同品種的減水劑復(fù)配，或?qū)⒛撤N減水劑與緩凝、早強(qiáng)、引氣等化學(xué)組分復(fù)配在一起使用，獲得取長(zhǎng)補(bǔ)短、事半功倍的應(yīng)用效果。如萘系高效減水劑常與木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、緩凝組分、引氣組分、保水組分等復(fù)配，一方面降低產(chǎn)品成本，另一方面可以延緩混凝土的凝結(jié)時(shí)間，或改善混凝土坍落度保持

4、性和泵送性能。氨基磺酸鹽系減水劑雖然流動(dòng)性保持性優(yōu)異，但成本相對(duì)較高，因而通常作為萘系高效減水劑的改性劑使用。 聚羧酸系減水劑作為一種新型高性能減水劑，人們對(duì)其復(fù)合應(yīng)用的性能效果知之甚少，尚需開展大量的研究工作，尤其是為降低應(yīng)用成本和解決聚羧酸系減水劑應(yīng)用過程中的離析、泌水等問題，需要將聚羧酸系減水劑與其他品種減水劑復(fù)配使用。本文將通過試驗(yàn)探討聚羧酸系減水劑與其他品種減水劑復(fù)配使用的可能性，其結(jié)果對(duì)聚羧酸系減水劑開發(fā)研究和工程應(yīng)用者將有所幫助。1. 原材料和試驗(yàn)方法1.1 原材料(1) 水泥:海螺牌P. 0 42.5 R水泥，其基本性能見表1。 (2)細(xì)集料:河砂，細(xì)度模數(shù)2.6。 (3)粗集

5、料:5一25 mm連續(xù)級(jí)配碎石，人工沖洗后含泥量計(jì)為0。 (4)拌和水:飲用自來水。 (5)減水劑:聚羧酸系減水劑(PC)，液體，含固量20%;木質(zhì)素磺酸鹽減水劑(LS )，粉狀;萘系高效減水劑(NSF)，粉狀;密胺系高效減水劑(MSF)，液體，含固量50%;氨基磺酸鹽系高效減水劑(ASF)，粉狀;撥基焦醛高效減水劑(SAF)，液體，含固量35%。1.2. 試臉方法 (1)水泥凈漿流動(dòng)性:水泥凈漿流動(dòng)度按照GB8077-2000混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。 (2)混凝土減水率和抗壓強(qiáng)度比:混凝土減水率和抗壓強(qiáng)度比按照GB8076-1997混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。其他試驗(yàn)方法

6、將在文中具體說明。2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論2. 1 PC與其他品種減水劑溶液的相溶性 將其他5種常用減水劑(LS,MSF,NSF,ASF和SAF)分別配制成濃度為20%的溶液，并按1:1(質(zhì)量比)的比例分別與PC(濃度為20%)進(jìn)行混合，搖勻、加蓋、靜置24 h后，觀察各混合液體有無分層或沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生，以此判斷PC與這5種常用減水劑的相溶性。 5個(gè)盛有混合液體的透明塑料杯靜置后的圖片如圖1所示。 由圖1(a)可見，PC與LS溶液的相溶性良好，未出現(xiàn)分層，也沒有沉淀現(xiàn)象產(chǎn)生。綜合圖1(b)至圖1(e)可見:PC與NSF或ASF溶液相溶性良好，沒有出現(xiàn)分層或沉淀現(xiàn)象;PC與MSF或SAF溶液的相溶性都

7、較差，出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，其中PC在溶液上層，MSF和SAF在溶液的下層。 兩種外加劑復(fù)配后以液體形式供應(yīng)使用，其首要條件是互溶。從此處的試驗(yàn)結(jié)果看來，實(shí)際工程中PC與MSF或SAF溶液不能復(fù)配在一起使用，而不考慮復(fù)配使用效果的情況下，PC與LS,NSF或ASF存在復(fù)配使用的可能性。2. 2 PC與其他品種減水劑友合拾加對(duì)水泥凈槳流動(dòng)性的影響 當(dāng)單獨(dú)摻加PC時(shí)，其最佳摻量為0. 200/(外加劑固體質(zhì)量占水泥質(zhì)量的百分比，下同)。為考察PC與其他品種減水劑復(fù)合摻加使用的效果，本文將PC摻量固定為0. 10%，而其他品種減水劑的摻量從0. 10%逐漸增加到0. 40%，試驗(yàn)方案見表2。 各組試

8、驗(yàn)中水泥的用量取300 g，用水用量取87 g，即mc/mw二0. 29。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)只摻加0. 10% PC時(shí)，凈漿流動(dòng)度為185 mm。在此基礎(chǔ)上，如果復(fù)合摻加LS，則隨著LS摻量增加，凈漿流動(dòng)性有增大趨勢(shì)。但是當(dāng)LS摻量超過0. 30%時(shí)，由于泌水嚴(yán)重，凈漿流動(dòng)度反而有所減小。實(shí)際工程中LS的摻量一般不會(huì)超過0. 30%。SAF與PC復(fù)合摻加，也可以得到疊加的塑化效果，即固定PC摻量為0. 10%時(shí)，隨著SAF摻量增加，凈漿流動(dòng)度逐漸增大。由于SAF的塑化效果優(yōu)于LS，所以當(dāng)摻量較大(比如超過0. 10%)時(shí)，SAF與PC復(fù)合摻加的塑化效果優(yōu)于LS與PC復(fù)合的塑化效果。但是從圖

9、2也可明顯地看出，NSF和MSF以及ASF在摻量為0. 20%以內(nèi)，與PC復(fù)合摻加，不僅沒有產(chǎn)生疊加的塑化效果，反而削弱了PC的塑化作用，只是ASF摻量大于0. 20%時(shí)，凈漿流動(dòng)度才隨著ASF摻量的增加而有所增大。LS, NSF, MSF, ASF和SAF都屬于陰離子型表面活化劑，能在水泥表面上產(chǎn)生單分子吸附層，使界面上的分子性質(zhì)和分子相互作用特性發(fā)生很大的變化。這些表面活性劑離解成大分子的陰離子和金屬陽離子，呈現(xiàn)較強(qiáng)表面活性的大分子陰離子吸附在水泥顆粒表面上，使水泥顆粒整體帶負(fù)電荷，由于同性電荷相斥而使水泥顆粒分散開來。PC分子中含有一C00 - , 一OH -等基團(tuán)，也是通過靜電作用被水

10、泥顆粒吸附。但由于PC含有較多長(zhǎng)支鏈，它不僅通過靜電排斥作用，而且更多地通過一種叫作空間位阻的效應(yīng)來起到塑化作用。PC吸附于水泥顆粒表面后呈梳形，而其他幾種高效減水劑吸附于水泥顆粒表面后呈剛性橫臥狀(圖3)。如前所述，PC吸附于水泥顆粒表面后除了靠靜電斥力外，空間位阻效應(yīng)對(duì)其塑化作用更關(guān)鍵，而其他減水劑則主要靠靜電斥力，所以單獨(dú)摻加的情況下，PC在很小的摻量(0. 1%0.2%)情況下就產(chǎn)生非常理想的塑化效果，而其他減水劑的常用摻量普遍較大(0. 4%一0. 8 % , LS的常用摻量較小，為0. 2%一0. 3，這只是因?yàn)樗姆肿恿枯^小而已)。當(dāng)PC與MSF,NSF,SAF,ASF或LS復(fù)合

11、摻加時(shí)，存在一C00 -與一S032-競(jìng)爭(zhēng)吸附的現(xiàn)象，哪個(gè)基團(tuán)先吸附于水泥顆粒表面，哪個(gè)基團(tuán)對(duì)水泥顆粒的分散性就會(huì)起到主導(dǎo)作用。研究表明，與一S032-相比，一C00 -的吸附速率明顯較慢，這樣由于一開始一S032-吸附量較多，導(dǎo)致一C00 -無法正常吸附于水泥顆粒表面，PC的塑化效應(yīng)就沒有辦法發(fā)揮，因此，PC與其他減水劑復(fù)合摻加時(shí)，減水效果往往會(huì)受到影響。 當(dāng)NSF,MSF或ASF與PC復(fù)合摻加到水泥凈漿中，由于這種竟?fàn)幮晕浆F(xiàn)象的存在，對(duì)NSF,MSF或ASF來說，吸附量的減小使它們對(duì)水泥顆粒起分散作用的靜電斥力變小，而對(duì)PC來說，則因吸附量的減小，導(dǎo)致其靜電斥力和空間位阻效應(yīng)均減弱。另外

12、，NSF, MSF和ASF的分子結(jié)構(gòu)中均含有苯環(huán)或其他環(huán)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們與PC復(fù)合使用時(shí)，還可能會(huì)將PC分子包裹而阻止了PC眾多支鏈的伸展，這樣也會(huì)阻止PC與水泥顆粒的接觸，如此一來，就產(chǎn)生復(fù)配摻加情況下減水效果嚴(yán)重降低的現(xiàn)象。 LS和SAF分子中都沒有環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所以它們與PC復(fù)合摻加時(shí)只是從陰離子競(jìng)爭(zhēng)吸附的層面上影響PC的減水效果，而不存在包裹PC分子的現(xiàn)象。所以，LS或SAF與PC復(fù)合使用的效果要比其他3種減水劑與PC復(fù)合使用的效果好。2. 3 PC與其他品種減水劑復(fù)合使用對(duì)混凝土性能的影響 試驗(yàn)參照GB8076-1997混凝土外加劑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，見表3。固定混凝土坍落度為(80士10)mm

13、，各組混凝土的用水量及減水率計(jì)算結(jié)果列于表3,混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表4。 從表3可以看出，PC與LS復(fù)合摻加，減水率有所增加，這與圖2中的結(jié)果是一致的;PC與SAF復(fù)合摻加，減水率隨著SAF的摻量的增加而增大，但當(dāng)SAF摻量為0. 80%時(shí)，由于出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，減水率有所下降。 由表4可知，由于PC具有一定的緩凝作用，單純摻加PC的混凝土其3d抗壓強(qiáng)度比較低，只有94%，但隨后齡期的強(qiáng)度發(fā)展較快，7d抗壓強(qiáng)度就已經(jīng)達(dá)到42.7 MPa，增長(zhǎng)了近1倍，28d時(shí)單純摻加PC的混凝土其抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于基準(zhǔn)混凝土的114% 。 PC與0. 16%的LS復(fù)合摻加時(shí)，混凝土早期強(qiáng)度有所提高,7 d強(qiáng)度發(fā)展也比較快。固定PC的摻量為0. 10%，當(dāng)LS的摻量達(dá)到0. 40%時(shí)，相對(duì)于LS摻量為0. 16%的混凝土來說，1d抗壓強(qiáng)度雖有所下降，但7d和28 d抗壓強(qiáng)度均有所提高。PC與SAF復(fù)合摻加后，混凝土的減水率增大，各齡期抗壓強(qiáng)度均有所提高。B7組混凝土減水率和抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律出現(xiàn)反常，其原因是混凝土拌和物出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，相信在膠凝材料用量較大的混凝土中可以消除此現(xiàn)象。3