管樁用聚羧酸減水劑的合成與性能研究

管樁用聚羧酸減水劑的合成與性能研究

0混凝土管樁減水劑應(yīng)用現(xiàn)狀預(yù)制混凝土管樁是一種混凝土產(chǎn)品，具有強(qiáng)度高、超載大、抗沖擊性好、施工方便等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于高層建筑、大橋、公路、港口碼頭等行業(yè)和公共服務(wù)機(jī)構(gòu)。由于其具有優(yōu)越的性能和較高的技術(shù)指標(biāo),這就對其使用的原材料、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缺的重要組分,減水劑的性能更是對其品質(zhì)有著重要的影響。聚羧酸減水劑在坍損控制、減水率可調(diào)、提升強(qiáng)度、節(jié)省水泥、管樁表面光潔度、提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動強(qiáng)度、環(huán)保安全、功能可調(diào)、混凝土黏聚性等方面比萘系減水劑有著很好的優(yōu)勢,但國內(nèi)目前生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁所用的減水劑主要是萘系減水劑,而非聚羧酸減水劑。主要是因為聚羧酸減水劑具有緩凝性,導(dǎo)致生產(chǎn)管樁時靜停時間長、離心后掛漿嚴(yán)重、內(nèi)壁不光滑、混凝土離心脫水困難等缺陷。江蘇尼高科技有限公司聯(lián)合常州永聯(lián)管樁,研制開發(fā)了一種可滿足其混凝土性能要求的聚羧酸減水劑。該聚羧酸減水劑用于生產(chǎn)管樁混凝土?xí)r,具有低引氣、凝結(jié)時間短、強(qiáng)度高、黏聚性好、容易離心脫水、不易掛漿等優(yōu)點。1測試1.1工業(yè)級tpeg200丙烯酸、馬來酸酐、甲基烯丙基聚氧乙烯醚2400(HPEG2400)、異戊二烯醇聚氧乙烯醚2400(TPEG2400)、巰基丙酸、雙氧水、30%氫氧化鈉溶液、N-羥甲基丙烯酰胺、維生素C、甲基丙烯磺酸鈉,均為工業(yè)級。水泥,亞東P·O52.5水泥,密度3.10g/cm3;砂,河砂,表觀密度2.65g/cm3,細(xì)度模數(shù)2.8;磨細(xì)砂,比表面積約200m2/kg;碎石:5~20mm連續(xù)級配。1.2測試方法1.2.1聚羧酸減水劑的合成在裝有溫度計、調(diào)速攪拌器、回流冷凝管和滴加裝置的四口燒瓶中,加入按配方量的軟水、雙氧水、HPEG、TPEG,然后攪拌并加熱至一定溫度,在此溫度下,滴加按配方量的丙烯酸、馬來酸酐等小分子組成的水溶液,(180±10)min滴完,同時滴加維生素C水溶液,(210±10)min滴完,保溫90min,然后降溫至一定溫度,用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至7,即得固含量40%的聚羧酸減水劑。1.2.2土外加劑性能測試采用凝膠滲透色譜(GPC)對聚羧酸減水劑進(jìn)行表征;表面張力按GB/T8077—2000《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》進(jìn)行測試;管樁性能按GB13476—2009《先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁》進(jìn)行測試;含氣量按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試;水泥凈漿凝結(jié)時間按GB/T1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》進(jìn)行測試。1.2.3外加劑用量計算預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁混凝土配合比(kg/m3)為:m(水泥)∶m(砂)∶m(碎石)∶m(磨細(xì)砂)∶m(外加劑)∶m(水)=278∶832∶1119∶151∶4.28∶91。1.2.4膠凝材料的蒸養(yǎng)方案混凝土由強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合,攪拌時間為2min,試件振動成型的時間為1min。由于預(yù)養(yǎng)時間、升溫速度、恒溫時間和溫度、降溫速度對膠凝材料水化和混凝土性能的影響比較復(fù)雜,試驗均采用統(tǒng)一的蒸養(yǎng)制度,具體為:成型后,靜停2h,進(jìn)行帶模常壓蒸汽養(yǎng)護(hù)(升溫速度1℃/min,溫度為90℃,時間為4h),3h降至室溫,測試其抗壓強(qiáng)度。2結(jié)果與討論2.1聚羧酸減水劑的合成常用合成醚類減水劑的大單體是HPEG2400與TPEG2400。HPEG2400合成的醚類減水劑減水率要比TPEG2400合成的高,但分散保持性較差。管樁生產(chǎn)過程中,要求高減水率的減水劑,且對混凝土分散保持性也有一定要求。單獨用一種單體合成的減水劑,或?qū)⑵渑c其它小料復(fù)配,在管樁生產(chǎn)中總有不足的地方?；诖?使用2種不同結(jié)構(gòu)的大單體合成聚羧酸減水劑,然后應(yīng)用于管樁生產(chǎn)中。在其它工藝參數(shù)相同的條件下,兩者不同質(zhì)量比合成的減水劑對管樁混凝土性能的影響見表1。從表1可以看出,當(dāng)m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1時,管樁混凝土的綜合性能最佳。其原因是,HPEG2400、TPEG2400合成的減水劑在混凝土減水率和分散保持性方面有差異。HPEG2400合成的減水劑混凝土減水率高,但分散保持性相比TPEG2400較差。所以,當(dāng)比例適當(dāng)時,可以將兩者的優(yōu)點完美結(jié)合起來,使管樁混凝土的狀態(tài)達(dá)到最佳,使成品管樁達(dá)到使用要求。2.2合成減水劑對管樁性能的影響丙烯酸、馬來酸酐作為主要的小單體,常用于醚類減水劑合成中,兩者各有優(yōu)缺點。丙烯酸對減水劑的初始減水率貢獻(xiàn)大,而馬來酸酐對減水劑的分散保持性作用較大。研究了兩者不同質(zhì)量比合成減水劑對管樁性能的影響,結(jié)果見表2。從表2可以看出:(1)隨著馬來酸酐用量的增加,常壓蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度先提高后降低,而凝結(jié)時間、泌水情況都往不利方向發(fā)展。這是由于馬來酸酐在堿性環(huán)境下慢慢水解成羧基,使減水劑的分散保持性良好,從而使得蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度先提高后降低,凝結(jié)時間延長、泌水性變差,都往不利方向發(fā)展。(2)當(dāng)m(丙烯酸)∶m(馬來酸酐)=1∶1時,管樁混凝土的綜合性能最佳。2.3n-羥甲基丙烯酰胺對管樁混凝土性能的影響N-羥甲基丙烯酰胺含有2個官能團(tuán),一個是羥甲基,另一個是酰胺基。羥甲基可形成交聯(lián),對提高混凝土黏聚性有利。酰胺基可以與水泥漿體中的氫氧化鈣反應(yīng),加速C3S的水化,抑制C3S水化初期形成松散結(jié)構(gòu)的趨勢,加速了C-S-H凝膠和鈣礬石晶體的形成,提高早期水泥塊中針狀鈣礬石的數(shù)量,使得鈣礬石結(jié)構(gòu)更加致密,從而提高早期強(qiáng)度。不同用量N-羥甲基丙烯酰胺合成的聚羧酸減水劑對管樁混凝土性能的影響見表3。從表3可以看出,隨著N-羥甲基丙烯酰胺用量的增加,蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度先提高后降低;混凝土黏聚性變好,但離心脫水逐漸困難。原因是,當(dāng)N-羥甲基丙烯酰胺用量在一定范圍內(nèi)增加時,羥甲基、酰胺基都起正作用,所以蒸養(yǎng)強(qiáng)度也隨其用量的增加而提高;但當(dāng)用量超過一定量時,羥甲基顯示的交聯(lián)作用越明顯,導(dǎo)致離心脫水逐漸困難,繼而導(dǎo)致掛漿,于是管樁強(qiáng)度呈下降趨勢。2.4管樁混凝土含氣量親水親油平衡(HLB)值是用來衡量表面活性劑分子中的親水部分和親油部分對其性質(zhì)所作貢獻(xiàn)大小的物理量。HLB值對減水劑用于混凝土中的含氣量指標(biāo)有一定影響,從而影響管樁混凝土性能,試驗結(jié)果見表4。由表4可以看出:(1)隨著HLB值的增大,混凝土扒底情況得到改善。這樣容易離心脫水和布料。但蒸養(yǎng)混凝土強(qiáng)度有所下降。因HLB值高時,容易引氣,所以不扒底情況減輕,強(qiáng)度略有下降。(2)HLB值為52.5~54.3時,管樁混凝土的性能最佳。2.5甲基丙烯磺酸鈉對管樁混凝土性能的影響甲基丙烯磺酸鈉含有磺酸基團(tuán),磺酸基團(tuán)具有高分散性、高減水性,是強(qiáng)電解質(zhì)陰離子,因其受pH值影響較小,所以含其的減水劑性能穩(wěn)定。基于這些,研究了不同用量的甲基丙烯磺酸鈉合成的聚羧酸減水劑對管樁混凝土性能的影響,結(jié)果見表5。從表5可以看出:(1)隨著甲基丙烯磺酸鈉用量的增加,凝結(jié)時間逐漸縮短,初始坍落度逐步增大,但混凝土扒底嚴(yán)重,影響離心脫水及布料。原因是磺酸官能團(tuán)主要顯示高效分散和產(chǎn)生高減水,而羧酸官能團(tuán)有顯著的緩凝作用。當(dāng)甲基丙烯磺酸鈉用量增加,則羧酸官能團(tuán)比例逐漸減小,所以產(chǎn)生這樣的趨勢。(2)當(dāng)甲基丙烯磺酸鈉用量為0.7%時,管樁混凝土的性能最佳。2.6混凝土管樁用聚羧酸減水劑根據(jù)以上試驗結(jié)果,按最佳配比:m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1,m(丙烯酸)∶m(馬來酸酐)=1∶1,N-羥甲基丙烯酰胺用量為0.35%,HLB值控制在52.5~54.3,甲基丙烯磺酸鈉用量為0.7%,合成了1t預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁用聚羧酸減水劑。該減水劑的凝膠滲透色譜如圖1所示。由圖1可以看出,該聚羧酸減水劑主要由4個組分組成。由HPEG2400、TPEG2400、丙烯酸、馬來酸酐、N-羥甲基丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸鈉共聚得到的組分1面積達(dá)92.12%,未反應(yīng)的HPEG2400、TPEG2400以及自聚的丙烯酸3個組分的面積共7.88%。由此可知,上述配方及工藝是可行的,基本未產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物。且組分1的分子質(zhì)量分布基本上呈正態(tài)分布,從而保證了產(chǎn)品品質(zhì)。將該合成的聚羧酸減水劑在管樁廠用于管樁試生產(chǎn),生產(chǎn)的管樁性能良好,完全達(dá)到實際使用要求,其性能見表6。3hlb/甲基丙烯酰胺磺酸鈉減水劑(1)合成預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁用聚羧酸減水劑的最佳工藝為:m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1,m(丙烯酸)∶m(馬來酸酐)=1∶1,N-羥甲基丙烯酰胺用量為0.35%,HLB值控制在52.5~54.3,甲基丙烯磺酸鈉用量為0.7%。摻該減水劑的混凝土具有低引氣、凝結(jié)時間短、強(qiáng)度高、黏聚性好、容易離心脫水、不易掛漿等優(yōu)點。(2)通過對試生產(chǎn)的減水劑的凝膠滲透