高強(qiáng)混凝土管樁聚羧酸減水劑的合成與性能研究

高強(qiáng)混凝土管樁聚羧酸減水劑的合成與性能研究

0聚羧酸減水劑及其應(yīng)用預(yù)制混凝土管樁（phc管樁）是近年來發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的高速混凝土產(chǎn)品。它具有強(qiáng)度高、超載大、抗沖擊性好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于珠江三角洲、長江三角洲、渤海灣周邊地區(qū)的高層工地建筑、大架橋、公路、港口碼頭等工業(yè)和公共建筑。由于其優(yōu)越的性能特點(diǎn)和較高的技術(shù)指標(biāo),這就對(duì)PHC管樁的原材料、配合比和生產(chǎn)提出了很高的技術(shù)要求。而作為混凝土中不可或缺的重要組分,減水劑的性能更是對(duì)PHC管樁的品質(zhì)有著重要的影響。由于PHC管樁特殊的成型方式與性能要求,一般來說,用于配制PHC管樁混凝土的減水劑大多為減水率高、與膠凝材料適應(yīng)性好的高效減水劑產(chǎn)品,要求其具有粘聚性好、超早強(qiáng)、引氣均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)。目前,國內(nèi)用于PHC管樁生產(chǎn)的減水劑大多為萘系減水劑。由于萘系高效減水劑的主要原料工業(yè)萘供應(yīng)逐年緊張,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需求,并且萘系減水劑在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生工業(yè)“三廢”,不符合目前“低碳環(huán)保”的可持續(xù)發(fā)展主張。而作為一種新型、環(huán)保、功能可調(diào)的外加劑,聚羧酸系高性能減水劑以其具有的技術(shù)優(yōu)勢,迅速發(fā)展,目前已廣泛應(yīng)用于高層建筑、鐵路、公路、港口、橋梁、水電站等工程領(lǐng)域,用于配制清水混凝土、高耐久性混凝土、頂升泵送混凝土等高性能混凝土以及普通混凝土。而由于PHC管樁混凝土的特殊性,國內(nèi)關(guān)于聚羧酸減水劑在PHC管樁中應(yīng)用的報(bào)道甚少。本文探討在聚羧酸減水劑的合成階段通過對(duì)分子進(jìn)行功能化設(shè)計(jì),研制一種適應(yīng)PHC管樁混凝土的性能要求,具有低引氣和超早強(qiáng)性能的聚羧酸減水劑GS。為管樁行業(yè)提供了一種性能可靠的混凝土高效減水劑。1聚羧酸根水劑的開發(fā)1.1原料aa烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(APEG):遼寧產(chǎn),聚合度n=54;丙烯酸(AA):工業(yè)級(jí),廣州產(chǎn);甲基丙烯磺酸鈉(MAS):工業(yè)級(jí),山東產(chǎn);丙烯酰胺(AAm):工業(yè)級(jí),山東產(chǎn);30%液堿(NaOH):工業(yè)級(jí),福建產(chǎn)。1.2減水劑的分子目前用于“一步法”合成聚羧酸的烯丙基聚醚大多為烯丙基聚氧乙烯醚,EO鏈段由于其強(qiáng)烈的親水性提高了聚羧酸分子的分散作用,但也因此對(duì)不穩(wěn)定氣泡的形成提供了有利條件。本實(shí)驗(yàn)使用的烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚,在EO鏈段的末端引入PO短鏈,有效地降低了分子的親水親油平衡值(HLB),使其在引氣和抑泡2個(gè)矛盾中尋求有益的平衡,適當(dāng)降低引氣性,同時(shí)達(dá)到提高粘聚能力的目的。由于聚醚側(cè)鏈在減水劑分子結(jié)構(gòu)中的相對(duì)密度降低,較長的EO側(cè)鏈?zhǔn)沟镁埕人岱肿訉?duì)水泥顆粒的包裹作用減弱,分散作用使水泥與水的接觸面積增加,同時(shí)使得水泥水化加速,所以具有早強(qiáng)作用,因此選擇聚合度較大(n=54)的烯丙基聚醚。根據(jù)DLVO電荷排斥理論,在減水劑分子的主導(dǎo)官能團(tuán)中,羧酸根(—COO-)主要顯示緩凝保坍作用,磺酸根(—SO3-)主要顯示減水能力。羧酸根與磺酸根按一定規(guī)律組合在同一個(gè)分子里,會(huì)顯示出各自兩方面的主導(dǎo)作用,并且隨著基團(tuán)的增減和比例的改變,其功能的側(cè)重也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在減水劑分子的主鏈中引入一定數(shù)量的磺酸基團(tuán),能有效地提高分子的減水能力,同時(shí)抑制緩凝作用,達(dá)到早強(qiáng)的目的。因此選擇第三單體甲基丙烯磺酸鈉,在減水劑分子中引入一定量的磺酸基團(tuán)。在減水劑的非主導(dǎo)官能團(tuán)中,氨基(—NH2)結(jié)構(gòu)對(duì)保持水泥拌合物的和易性有良好作用,并能有效促進(jìn)水泥水化。但是,減水劑分子中的氨基比例過大則會(huì)導(dǎo)致分子量增大而使減水率大幅下降。因此,選擇使用少量丙烯酰胺來取代部分丙烯酸作為第四單體,以提高早強(qiáng)、增強(qiáng)的效果。1.3甲基丙烯酸鈉mas和丙烯酰胺aam混合水溶液的制備往裝有電動(dòng)攪拌器、溫度計(jì)、滴液漏斗和回流冷凝管的反應(yīng)瓶中投入烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(APEG)和適量的水,加熱升溫至設(shè)計(jì)溫度;分別滴加鏈轉(zhuǎn)移劑甲基丙烯磺酸鈉(MAS)、丙烯酰胺(AAm)的混合水溶液,并分2次滴加丙烯酸(AA)。物料滴加結(jié)束后,保溫一定時(shí)間停止加熱,加入30%NaOH進(jìn)行中和,將pH值調(diào)至7.0,得到聚羧酸減水劑GS。1.4試驗(yàn)方案及控制效果根據(jù)對(duì)聚羧酸合成過程的認(rèn)識(shí),認(rèn)為影響反應(yīng)的主要因素分別為:APEG與AA的配比、MAS用量、聚合反應(yīng)溫度和保溫時(shí)間?？紤]反應(yīng)過程中各因素之間的相互作用,本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4因素3水平的正交試驗(yàn),找到最優(yōu)化條件,試驗(yàn)方案見表1。本實(shí)驗(yàn)選擇水泥凈漿流動(dòng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo),試驗(yàn)水泥選用臺(tái)泥P·O52.5,水灰比為0.29,減水劑固體摻量為0.20%。正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可見,各因素對(duì)聚合反應(yīng)的影響大小依次為D>B>C>A,即保溫時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響最大,其次為鏈轉(zhuǎn)移劑MAS用量,聚合反應(yīng)溫度,AA與APEG配比的影響則最小。且各影響因素的極差R均不大,說明該正交實(shí)驗(yàn)所考察的水平已接近最佳水平,所以最佳工藝條件為:A3B1C3D1,即n(AA)∶n(APEG)=4.5∶1.0,n(MAS)∶n(APEG)=0.65∶1.00,聚合反應(yīng)溫度75℃,保溫時(shí)間2.0h。2應(yīng)用測試2.1細(xì)度模數(shù)及礦粉質(zhì)量水泥:臺(tái)泥水泥廠生產(chǎn)的P·O52.5水泥,密度3.10g/cm3;普通砂:表觀密度2.65g/cm3,細(xì)度模數(shù)約2.8,含泥量小于1.0%,泥塊含量小于0.5%;磨細(xì)砂:比表面積約200m2/kg;礦粉:比表面積420m2/kg左右;碎石:5~20mm的連續(xù)顆粒級(jí)配,泥塊含量小于0.3%;萘系高效減水劑:Point-B減水劑,福建科之杰公司生產(chǎn),含固量33%;自制聚羧酸系減水劑GS,含固量20%。2.2管樁混凝土蒸養(yǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)從粘聚性、保水性等方面保證混凝土的勻質(zhì)性,坍落度控制在35~55mm。管樁混凝土用100mm×100mm×100mm的試模成型,按照GB13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》的要求進(jìn)行試驗(yàn),福州某管樁企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求5h蒸養(yǎng)強(qiáng)度達(dá)45MPa以上,8h蒸壓強(qiáng)度時(shí)達(dá)90MPa以上。管樁混凝土的蒸養(yǎng)強(qiáng)度試驗(yàn)采用將成型好的試塊在室溫(20±2)℃放置30min后在蒸養(yǎng)池(80℃)中蒸養(yǎng)5h,取出的試塊在空氣中放置使之冷卻,然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);蒸壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用將蒸養(yǎng)后的試塊置于蒸壓釜中(180℃,1MPa)蒸壓養(yǎng)護(hù)8h,取出的試塊在空氣中放置使之冷卻,然后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。2.3聚羧酸系減水劑混凝土試配試驗(yàn)在福州某管樁企業(yè)試驗(yàn)室進(jìn)行,從混凝土的工作性能和力學(xué)性能等方面研究了減水劑GS(與萘系減水劑Point-B作對(duì)比)對(duì)PHC管樁混凝土性能的影響,并在此基礎(chǔ)上對(duì)2類減水劑在PHC管樁混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析,最后優(yōu)化選擇使用聚羧酸系減水劑GS。2.3.1混凝土的摩爾比本試驗(yàn)使用該管樁企業(yè)生產(chǎn)所用的配合比(見表3)。2.3.2混凝土摻量對(duì)新拌混凝土性能的影響摻不同減水劑的新拌及硬化混凝土的性能見表4。由表4可見,當(dāng)減水劑GS摻量較低(0.65%)時(shí),混凝土的強(qiáng)度能完全符合性能要求并有所富余,但工作性不足,難以滿足生產(chǎn)需要;當(dāng)摻量較高(0.75%)時(shí),新拌混凝土的流動(dòng)性良好,但引入少量氣泡,影響了后期的強(qiáng)度;當(dāng)摻量為0.70%時(shí),混凝土的粘聚性良好,無泌水,引氣均勻細(xì)密且無肉眼可見氣泡,與現(xiàn)生產(chǎn)所用的Point-B減水劑相比強(qiáng)度相當(dāng),對(duì)混凝土具有早強(qiáng)和增強(qiáng)效果,能同時(shí)滿足管樁生產(chǎn)對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的要求。2.3.3混凝土配合比從混凝土成本考慮,對(duì)聚羧酸減水劑GS與萘系減水劑Point-B應(yīng)用于PHC管樁生產(chǎn),從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行對(duì)比。以本試驗(yàn)的混凝土配合比為例,經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果見表5。從表5可見,采用聚羧酸減水劑GS時(shí),單方混凝土消耗減水劑的成本要低于采用萘系減水劑Point-B的成本。表明聚羧酸減水劑GS的經(jīng)濟(jì)性良好。2.3.4混凝土骨料的包裹性能從混凝土性能角度看,聚羧酸減水劑GS摻量為0.70%時(shí)與萘系減水劑Point-B相比,混凝土骨料的包裹性能較好,蒸養(yǎng)強(qiáng)度相當(dāng)且蒸壓強(qiáng)度略高;從經(jīng)濟(jì)性角度看,聚羧酸減水劑更能降低單方混凝土的成本,因此在管樁混凝土中使用聚羧酸減水劑GS,無論從技術(shù)性能還是經(jīng)濟(jì)性看,都是可行的。3減水劑gs合成的最佳條件(1)通過對(duì)分子進(jìn)行功能化設(shè)計(jì),制備了一種適應(yīng)PHC管