一種綠色、緩凝型高效減水劑的制備及性能研究

一種綠色、緩凝型高效減水劑的制備及性能研究

0混凝土凝結(jié)時(shí)間利用緩沖高效減水劑是一種具有高效減水和緩沖效果的高性能混凝土外加劑。它不僅具有高效減水劑的高分散效果、高降低水率和坍塌時(shí)的損失，而且還具有減少水泥水化率、緩解水化和延長(zhǎng)硬化時(shí)間的功能。這有利于改善混凝土的施工和應(yīng)用性能。蔗糖來源豐富、價(jià)格便宜、無毒,又是一種可再生的資源,是常用來延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間、實(shí)現(xiàn)新拌混凝土保塑性的一種有機(jī)緩凝劑。摻蔗糖改性減水劑的混凝土坍落度損失及泌水率均較小,作為具有緩凝性能的蔗糖基減水劑無疑是開發(fā)綠色、緩凝高效減水劑的理想原料為降低原料成本,實(shí)現(xiàn)環(huán)保條件下制備綠色、緩凝型高效減水劑,本研究利用蔗糖在熱酸作用下水解后脫水生成活性單體5-羥甲基糠醛(HMF)原理,通過分子構(gòu)效設(shè)計(jì),與對(duì)氨基苯磺酸作用,引入磺酸基(—SO1測(cè)試1.1性能測(cè)試方法白砂糖,市售一級(jí);對(duì)氨基苯磺酸,分析純;氫氧化鈉,分析純;水泥:P·O42.5水泥;砂:中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂;萘系高效減水劑,市售。掃描電子顯微鏡(SEM),NovaNanoSEM230;FT-IRSpectrometerL128-0099傅立葉變換紅外光譜儀;NanoZS90型納米粒度及Zeta電位分析儀;752紫外可見分光光度計(jì);GJ160-2雙轉(zhuǎn)雙速水泥凈漿攪拌機(jī);JJ-5水泥膠砂攪拌機(jī);水泥凈漿標(biāo)準(zhǔn)稠度與凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀;ZT-96型ISO水泥膠砂振實(shí)臺(tái);NLD-3水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀;NYL-300壓力試驗(yàn)機(jī)。1.2深紅流對(duì)氨基苯磺酸法在配有回流冷凝管、攪拌器、溫度計(jì)的四口燒瓶中加入白砂糖溶液和對(duì)應(yīng)量的對(duì)氨基苯磺酸,水浴升溫至所需溫度,并于該溫度下反應(yīng)一定時(shí)間后停止加熱,冷卻至室溫,用濃氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.5~7.0,得均一深紅棕色減水劑溶液。1.3減水劑性能測(cè)試(1)水泥凈漿流動(dòng)度:按GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試,水灰比為0.35,在最佳工藝優(yōu)化中減水劑折固摻量為水泥質(zhì)量的0.3%。(2)砂漿減水率:按GB/T8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。(3)抗壓強(qiáng)度:按GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。(4)減水劑飽和摻量及凈漿經(jīng)時(shí)流動(dòng)度損失:飽和摻量參考水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試;測(cè)試凈漿流動(dòng)度后,將凈漿轉(zhuǎn)入杯子里,放入養(yǎng)護(hù)箱,隔1h測(cè)試凈漿經(jīng)時(shí)流動(dòng)度,測(cè)試時(shí)攪勻。(5)減水劑吸附量:首先配制適當(dāng)濃度的減水劑標(biāo)準(zhǔn)樣液,于紫外-可見分光光度計(jì)中進(jìn)行全波長(zhǎng)掃描,尋找各減水劑對(duì)應(yīng)的最大吸收波長(zhǎng)。再配制0.1g/L的減水劑標(biāo)準(zhǔn)樣液,分別取0.1~2mL不同量的標(biāo)準(zhǔn)樣液于10mL試管中,于最大吸收波長(zhǎng)下測(cè)試不同濃度對(duì)應(yīng)的吸光度,根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制減水劑的吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線。取100mL一定濃度的減水劑溶液,用紫外光譜測(cè)試減水劑的實(shí)際濃度C(6)水泥顆粒表面Zeta電位:配制0~14g/L不同濃度的市售萘系高效減水劑和自制減水劑溶液,取0.25g水泥加入到100mL不同濃度的減水劑溶液中,攪拌5min,靜置10min后取上清液測(cè)定其Zeta電位,取3次測(cè)試的平均值為測(cè)試結(jié)果。2結(jié)果與討論2.1摻減水劑摩爾比對(duì)減水劑分散性能的影響對(duì)氨基苯磺酸含有磺酸基(—SO由圖1可以看出,當(dāng)n(對(duì)氨基苯磺酸)∶n(蔗糖)為0.1~0.9時(shí),摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度隨摩爾比的增大先增大后減小,且摩爾比為0.7時(shí),高效減水劑的分散性能較好。2.2影響減水劑性能的因素低溫條件下蔗糖水解后轉(zhuǎn)化為5-羥甲基糠醛的反應(yīng)速率較低;溫度過高,反應(yīng)物會(huì)發(fā)生副反應(yīng),影響減水劑性能。在反應(yīng)物質(zhì)量濃度為40%、反應(yīng)時(shí)間4h,n(對(duì)氨基苯環(huán)酸)∶n(蔗糖)=0.7(下同)條件下,反應(yīng)溫度對(duì)減水劑分散性的影響見圖2。由圖2可以看出,隨著反應(yīng)溫度上升,摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度變化趨勢(shì)為先升高后趨緩,最佳聚合溫度為90℃。2.3反應(yīng)物質(zhì)量濃度對(duì)產(chǎn)品的影響反應(yīng)物質(zhì)量濃度過低時(shí),反應(yīng)過程中反應(yīng)單體分子的碰撞概率小,反應(yīng)速率緩慢,從而導(dǎo)致合成的減水劑分子量小、分散性能差;質(zhì)量濃度過高,反應(yīng)進(jìn)程較快,反應(yīng)過程不易控制,且合成產(chǎn)物的稠度太大,不利于長(zhǎng)時(shí)間的存放。只有反應(yīng)物質(zhì)量濃度控制在一定范圍內(nèi),產(chǎn)物的性能才最佳。在反應(yīng)溫度90℃、反應(yīng)時(shí)間4h條件下,反應(yīng)物質(zhì)量濃度對(duì)減水劑分散性的影響見圖3。由圖3可見,摻減水劑的水泥凈漿流動(dòng)度隨反應(yīng)物質(zhì)量濃度的增大呈先增大后降低,并在反應(yīng)物質(zhì)量濃度為43%時(shí)出現(xiàn)最大值228mm。2.4凈漿流動(dòng)度隨反應(yīng)時(shí)間的變化在反應(yīng)物質(zhì)量濃度43%、反應(yīng)溫度90℃條件下,反應(yīng)時(shí)間對(duì)減水劑分散性的影響見圖4。由圖4可以看出,摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大,并于5h時(shí)出現(xiàn)峰值;繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,凈漿流動(dòng)度呈減小趨勢(shì)。經(jīng)工藝優(yōu)化可知,以蔗糖、對(duì)氨基苯磺酸為原料制備新型高效減水劑的最佳工藝條件為:n(對(duì)氨基苯磺酸)∶n(蔗糖)=0.7,反應(yīng)溫度90℃,反應(yīng)物質(zhì)量濃度43%,反應(yīng)時(shí)間5h。3砂漿應(yīng)用性能在最佳工藝條件下制備的新型綠色、高效減水劑,通過測(cè)試其分散性能、砂漿減水率、砂漿抗壓強(qiáng)度,研究了其應(yīng)用性能;并經(jīng)分析其在水泥顆粒表面吸附性能、Zeta電位、紅外譜圖、漿體SEM等,探討了該減水劑對(duì)水泥的相關(guān)作用機(jī)理。3.1合成高效減水劑的效果該綠色、緩凝型高效減水劑具有—SO由圖5可見,與萘系高效減水劑相比,合成的綠色、緩凝型高效減水劑具有較好的吸附特性,進(jìn)而影響到靜電斥力效應(yīng),所以高吸附量有利于提高水泥分散性,并在較低摻量下具有較好的水泥凈漿流動(dòng)度,同時(shí),鑒于減水劑對(duì)C3.2zeta電位結(jié)果分析減水劑通過吸附在水泥顆粒表面,改變水泥表面的點(diǎn)和分布,并形成雙電層結(jié)構(gòu),增強(qiáng)靜電斥力效應(yīng),提高減水劑的分散作用,而Zeta電位的測(cè)試結(jié)果可以直觀反映靜電斥力效應(yīng),所以在吸附量研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)比分析了減水劑摻量對(duì)Zeta電位的影響,結(jié)果見圖6。由圖6可見,隨著水泥中減水劑摻量的增加,水泥顆粒表面電位絕對(duì)值逐步增大,在減水劑摻量為8g/L時(shí),Zeta電位絕對(duì)值為27.8。3.3減水劑對(duì)砂漿性能的影響對(duì)減水劑不同摻量(折固,下同)時(shí)的砂漿減水率進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見圖7。由圖7可見,隨減水劑摻量增加,砂漿減水率明顯增大,當(dāng)減水劑摻量分別為水泥質(zhì)量的0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時(shí),砂漿減水率分別為13.1%,16.8%,21.5%和23.9%,減水劑性能良好。3.4飽和摻量和經(jīng)時(shí)損失減水劑不同摻量時(shí)的水泥凈漿初始及1h流動(dòng)度測(cè)試結(jié)果見圖8(水灰比為0.35)。從圖8可見,減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.5%時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度達(dá)到265.5mm,而摻量大于0.5%時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度隨摻量增加變化不明顯,故飽和摻量點(diǎn)為0.5%。同時(shí),在減水劑摻量為0.1%~0.9%時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度1h經(jīng)時(shí)損失較大;當(dāng)減水劑摻量由0.9%增加至1.0%時(shí),水泥凈漿流動(dòng)度1h經(jīng)時(shí)損失較小,趨于平緩,具有較好的水泥凈漿流動(dòng)度保持性能。3.5砂漿抗壓強(qiáng)度減水劑摻量對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響見表1。由表1可見,減水劑摻量為0.3%和0.5%時(shí),3、7、28d砂漿抗壓強(qiáng)度比均有所提高,約為同期空白砂漿抗壓強(qiáng)度的120%;固體摻量為0.7%時(shí),3d、7d抗壓強(qiáng)度均較低,28d抗壓強(qiáng)度比有所提高,達(dá)110%;摻量為0.9%時(shí),砂漿的3、7、28d抗壓強(qiáng)度均較空白砂漿低,出現(xiàn)假凝現(xiàn)象。3.6蔗糖對(duì)氨基苯磺酸減水劑的減水作用機(jī)理由圖9可知,在3411cm綜上,蔗糖對(duì)氨基苯磺酸減水劑的減水作用主要是通過靜電斥力、水化膜潤(rùn)滑作用和空間位阻效應(yīng)共同作用的結(jié)果。3.7水泥漿體的表征按水灰比0.29制備水泥漿體試塊,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定時(shí)間,破碎并取平整試塊,于無水乙醇中浸泡終止水化,并于60℃干燥至恒重,再噴金測(cè)試。圖10和圖11分別為空白試樣和摻0.5%減水劑漿體分別水化3d和7d的掃描電鏡照片。由圖10和圖11可見,水泥漿體中有針狀、棒狀和塊狀物等不同形貌的鈣礬石(AFt)和C-S-H結(jié)合物等。與空白試驗(yàn)相比,當(dāng)水化時(shí)間相同時(shí),摻有減水劑水泥漿體的斷面結(jié)構(gòu)相對(duì)密實(shí),空隙較小,水化凝膠產(chǎn)物呈緊密針狀與其周圍凝膠產(chǎn)物相互交織,因此其強(qiáng)度和抗?jié)B性較好。4減水劑的性能測(cè)試結(jié)果(1)研究以蔗糖和對(duì)氨基苯磺酸為原料,制備出新型綠色、緩凝高效減水劑,經(jīng)工藝優(yōu)化,得最佳工藝為:n(對(duì)氨基苯磺酸)∶n(蔗糖)=0.7,反應(yīng)溫度90℃,反應(yīng)物質(zhì)量濃度43%,反應(yīng)時(shí)間5h。(2)紅外光譜分析表明,合成減水劑具有氨基、羥基、磺酸基等官能團(tuán),