聚羧酸系減水劑側(cè)鏈對(duì)水泥分散性能的影響

混凝土高效減水劑是指在保持混凝土坍落度基本相同的條件下，能大幅減少拌和用水量的外加劑。它既可用來(lái)提高混凝士強(qiáng)度，也可以用來(lái)改善混凝士的工作性能，是混凝士材料中關(guān)鍵組分之一。減水劑的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，從木質(zhì)素磺酸鹽、萘系和密胺系高效減水劑階段，發(fā)展到開(kāi)發(fā)應(yīng)用聚羧酸類(lèi)高效減水劑。聚羧酸類(lèi)減水劑具有高減水率、低塌落度損失、摻量少、環(huán)保無(wú)污染等性能特點(diǎn)^[1-3].

    目前．聚羧酸類(lèi)高效減水劑已成為研究熱點(diǎn)。本文對(duì)不同聚乙二醇側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸類(lèi)減水劑對(duì)水泥的分散性能的進(jìn)行了研究，探討了聚乙二醇(PEG)側(cè)鏈對(duì)減水劑的分散性的影響。

    1實(shí)驗(yàn)

    1．1主要原科與儀器

    聚乙二醇(PEG400、800、1000)：丙烯酸，化學(xué)純，成都市科隆化：試劑廠；過(guò)硫酸銨，分析純，天津市化學(xué)試劑三廠；對(duì)甲苯磺酸，分析純，天津市博迪化工有限公司；對(duì)苯二酚，分析純，天津市大茂試劑廠；水泥，52.5R，陜兩秦嶺水泥(集團(tuán))股份有限公司；  Zeta電位測(cè)定儀，上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司；575．2414型凝膠滲透色譜儀，美國(guó)waters公司：傅立葉紅外分析儀(VECTOR22)，德國(guó)BRUKER公司；JK998全自動(dòng)表面張力測(cè)定儀，上海中晨數(shù)字設(shè)備有限公司。

    1．2減水劑合成

    在有攪拌器的250ml三口燒瓶中，按設(shè)定比例加入聚乙二醇、對(duì)甲苯磺酸和對(duì)苯二酚．水浴中加熱，攪拌均勻。升溫至60℃時(shí)滴加丙烯酸，加料完后升溫至90℃，保溫反應(yīng)2h得到丙烯酸聚乙二醇酯。在60℃的條件下，滴加丙烯酸聚乙二醇酯與丙烯酸、丙烯磺酸鹽及丙烯酸甲酯等的混合溶液于另一個(gè)250ml的三口燒瓶中，同時(shí)滴加引發(fā)劑過(guò)硫酸銨水溶液。滴加完畢后升溫至90℃，保溫2h，降至室溫用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH為6-7聚羧酸系減水劑。用PEG400、PEG800和PEGl000制得減水劑分別為R-1、R-2和R-3。

    1．3檢測(cè)方法   

1．3．1 FT-IR

將成品烘干后與KBr一起研磨，壓片，用FTIR對(duì)其分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

1．3．2凝膠滲透色譜

用凝膠滲透色譜(GPC)檢測(cè)表征產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量的大小及分布。

1．3．3表面張力的測(cè)定

    將樣品配制成濃度為1％的溶液，用JK998型全自動(dòng)張力儀，用環(huán)法測(cè)表面張力。

1．3．4水泥凈漿經(jīng)時(shí)流動(dòng)度變化的測(cè)試

將3g減水劑、87g水與300g水泥倒入濕布擦過(guò)的凈漿攪拌器內(nèi)，攪拌3min，將截錐體(上口徑36，下口直徑60，高度60，內(nèi)壁光的金屬制品)用濕布擦過(guò)，水平放在濕布擦過(guò)的玻璃板上，將拌好的漿體迅速注入截錐體，刮平，錐體垂直方向迅速提取，30s后，西次量取垂直向的直徑(mm)．取平均值作為水泥掙漿的動(dòng)度。

    取三次樣進(jìn)行重復(fù)測(cè)定，結(jié)果取平均值，誤差為士5分別測(cè)出水泥凈漿流動(dòng)度。  

    1．3．5電位檢測(cè)方法

    以水為分散相，加入0．25g的減水劑，與lg水泥中配制成一定濃度的懸浮液，于l00ml容量瓶中定容，振蕩均勻，轉(zhuǎn)移至l00ml的小燒杯中，靜置一定時(shí)間，取上層清液于比色皿中，在微電泳儀中測(cè)定水泥顆粒Zeta電位，每試樣測(cè)定5組數(shù)據(jù)，取平均值。

    2結(jié)果與討論

    2．1產(chǎn)品性能    

表1減水劑技術(shù)指標(biāo)

Table l Technical index of water reducing

    2．2 PEG的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)凈漿流動(dòng)度的影響

表2為相對(duì)分子質(zhì)量不同的PEG對(duì)凈漿流動(dòng)度的影響。由表中結(jié)：果可知，R-1、R-2和R-3的水泥初始流動(dòng)度相差不大，R-2的最好。30rain和180min后只有R-2的凈漿流動(dòng)度符合要求，比市場(chǎng)進(jìn)口聚羧酸系減水劑RB-1的凈漿流動(dòng)性能稍好。   

在分散體系中，減水荊分子支鏈吸附在水泥顆粒表面，一端延伸至水中，形成一定的空間勢(shì)壘，即空間位阻，阻礙水泥顆粒吸附。分子支鏈越長(zhǎng)，在水泥顆粒表面形成的保護(hù)水膜越厚，立體吸附層結(jié)構(gòu)越大，水泥粒子間要凝聚必須克服更高的勢(shì)壘，因而能在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在穩(wěn)定的分散狀態(tài)，即增大水泥的凈漿流動(dòng)度。但當(dāng)PEG相對(duì)分子質(zhì)量過(guò)大時(shí)，吸附層變得更厚，吸附在水泥表面分子分布不均勻，導(dǎo)致水泥分散安定性變化，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)，分散效果及流動(dòng)保持性能都下降。

表2 PEG相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)凈漿流動(dòng)度的影響

Table 2 The effct of relative molecular to cement oast fluidity

2．3 PEG相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)分散性系數(shù)及表面張力的影晌

減水劑表面張力的大小對(duì)水泥膠粒的分散和分散穩(wěn)定性有重要的影響。減水劑吸附在水泥顆粒表面能夠降低水泥顆粒固液界面能，降低水泥．水分散體系的總能量，提高分散體系的熱力學(xué)穩(wěn)定性，有利于水泥顆粒的分散。減水劑摻入混凝土拌合物中，不但能吸附在固液界面上，而且能吸附在汽液界面上，使混凝土拌合物中易于形成許多微小氣泡，產(chǎn)生微引氣作用，對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生隔離作用，從而阻止水泥顆粒凝聚。表3為減水劑在濃度均為l％的表面張力，由表可知R-2的表面張力最低為42．95N／m，R．1的表面張力值最大為53．63N／m。表面張力值越小表明其分散性能越好．從多分散性系數(shù)可也看出，減水劑R．2的多分散性系數(shù)較大，也說(shuō)明了減水劑R-2對(duì)水泥的分散效果最好。

表3 PEG相對(duì)分予質(zhì)量對(duì)分散性系數(shù)及表面張力的影響

Table 3 The effect of the PEG relative molecular weight to the dispersion and surface tension

    2．4混凝土的抗壓強(qiáng)度

    混凝士由水泥2.52kg、粉煤灰l.08kg、砂子7．6lkg，大石子2．1 l kg、中石子5．25 kg、小石子3．15 kg、水l．48 kg、減水劑30g拌和而成，采用10cm×locm×10cm試模制作試件。所用水泥為秦嶺52．5R。表4為混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。由表可知，R-2在3d，7d，28d的混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)中的值最高，與進(jìn)口的減水劑RB-1的綜合性能相接近。   

表4混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

Table 4 The compressive strength of concrete

2．5結(jié)構(gòu)裹征

    圖1為R-2的紅外吸收光譜圖。圖中3413cmd^-1處為-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰，2877cm^-1處為-CH_2-中C—H的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，1723cm^-1處為-C00-結(jié)構(gòu)中-C=0的伸縮振動(dòng)吸收峰。l l93cm^-1處為-CH₂-O=CH_2-中C-O-C結(jié)構(gòu)的伸縮振動(dòng)吸收峰，ll08cm_-1處為S=0的吸收峰。FTIR分析結(jié)果表明產(chǎn)物中存在-C00-結(jié)構(gòu)和-CH₂-O-CH_2-結(jié)構(gòu)，說(shuō)明丙烯酸與聚乙二醇進(jìn)行了酯化反應(yīng)。1409cm^-1處為聚丙烯酸鹽的特征吸收峰。1353cm^-1處為磺酸的特征吸收峰，1115cm一處為醚鍵吸收峰。FTIR圖譜表明發(fā)生了共聚反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)為丙烯酸聚乙二醇酯與丙烯磺酸鹽的共聚物。

表5減水劑R-2的GPC

Table 5 GPC of R-2

圖l減水劑R=2的FTIRFi91 FTIR

spectrum of R-2

2．6 ζ電位

    圖2為水泥一水空白體系和加入減水劑R-2的水泥．水體系ζ電位隨時(shí)間變化情況。由圖可知空白體系中水泥顆粒ζ電位絕對(duì)值隨靜置時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小。加入減水劑R-2后，ζ電位的絕對(duì)值隨著時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)升高。加入R-2體系中ζ電位的絕對(duì)值比空白體系的高。是因?yàn)榭瞻左w系的初始ζ電位絕對(duì)值較小，體系不穩(wěn)定；隨時(shí)間的延長(zhǎng)ζ電位的絕對(duì)值繼續(xù)降低。體系穩(wěn)定性下降。R-2加入到水泥-水體系中，減水劑分子中的-CH₂0CH_2-和-C00。會(huì)吸附于水泥粒子表面，形成擴(kuò)散雙電層結(jié)構(gòu)，使水泥顆粒維持相對(duì)穩(wěn)定的分散狀態(tài)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，水泥顆粒相互靠近，ζ電位增加，水泥表面的靜電斥力作用加強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為凈漿流動(dòng)度不會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。

圖2 Zeta電位隨時(shí)間變化

Fi9．2 Change of ζpotential to time

3結(jié)論

(1)PEG800為側(cè)鏈的減水劑的凈漿流動(dòng)度最好．表面張力最低。

(2) ζ電位測(cè)試結(jié)果表明，減水劑R-2與水泥顆粒發(fā)生了良好的吸附，并使水泥顆粒表面與水分子之間形成了擴(kuò)散雙電層．起主要作用的靜電斥力使得水泥-水分散體系在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)穩(wěn)定，起到了良好分散效果。