副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水生產(chǎn)脂肪族混凝土減水劑的研究

王文軍 ，吳益，董兆彬，陳囡

（1.常州建筑科學(xué)研究院有限公司， 江蘇 常州213015；2.江蘇尼高科技有限公司， 江蘇 常州213015）

0 引言

由于工業(yè)亞硫酸鈉在生產(chǎn)過程中是通過飽和亞硫酸鈉堿性溶液結(jié)晶后過濾而成， 經(jīng)過多次結(jié)晶后，結(jié)晶水成分產(chǎn)生變化，不能生產(chǎn)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的亞硫酸鈉，所以只能作為工業(yè)廢水排出，但其中含有一定數(shù)量的亞硫酸鈉成分， 這樣就造成了資源的浪費(fèi)和對環(huán)境的污染。 本文主要講述利用亞硫酸鈉生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)結(jié)晶水代替無水亞硫酸鈉作為原材料生產(chǎn)脂肪族混凝土減水劑的過程， 并對用此法生產(chǎn)的脂肪族減水劑和用工業(yè)亞硫酸鈉（含量≥96%)生產(chǎn)的脂肪族減水劑進(jìn)行性能比較。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料與設(shè)備

（1）原材料：無水亞硫酸鈉S1（安徽輝鼎化工有限公司，96%）；亞硫酸鈉結(jié)晶廢水（亞硫酸鈉S1 含量20%）；焦亞硫酸鈉S2（97%）；工業(yè)甲醛（建韜化工有限公司，37%）；丙酮B；水泥（盤固P.O32.5）。

主要設(shè)備：W-O 型恒溫油浴鍋； 四口燒瓶；電液式壓力試驗(yàn)機(jī)；水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱；水泥凈漿攪拌機(jī)；行星式水泥膠砂攪拌機(jī)；水泥膠砂振動臺；臥軸混凝土攪拌機(jī)（30 L）。

1.2 合成實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)1：在裝有攪拌機(jī)的四口燒瓶中加入一定量的副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水和焦亞硫酸鈉，升溫至50 ℃滴加第一部分甲醛， 滴完后在55～65 ℃保溫1 h，然后滴加丙酮與剩余甲醛的混合物，溫度控制在50～65 ℃，2 h 內(nèi)滴完，最后在90～100 ℃間保溫2 h，降溫至40 ℃得SAF1。

試驗(yàn)2∶在裝有攪拌機(jī)的四口燒瓶中加入一定量的水、無水亞硫酸鈉、焦亞硫酸鈉，升溫至50 ℃滴加第一部分甲醛，滴完后在55～65 ℃保溫1 h，然后滴加丙酮與剩余甲醛的混合物，溫度控制在50～65 ℃，2 h 內(nèi)滴完，最后在90～100 ℃間保溫2 h，降溫至40 ℃得SAF2。

1.3 性能實(shí)驗(yàn)

(1)水泥凈漿流動度：按GB／T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)砂漿減水率：按GB／T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)：按GBJ 107-87《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果分析與討論

從原材料摩爾比和工藝角度對各種反應(yīng)因素進(jìn)行分析，以水泥凈漿流動度、砂漿減水率和混凝土強(qiáng)度等為指標(biāo)評價出適合副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水生產(chǎn)脂肪族減水劑的最優(yōu)工藝。

2.1 磺化程度對水泥凈漿流動度的影響

試驗(yàn)2 中，S 為磺化劑S1、S2 物質(zhì)量的和，在反應(yīng)過程中固定結(jié)晶水中S1 的量， 變動S2 的量，在其它工藝條件不變的情況下， 檢測S、B 的摩爾比（磺化度）與水泥凈漿流動度的關(guān)系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 磺化度（S/B）對水泥凈漿流動度的影響

由圖1 中可以看出，S/B 對脂肪族減水劑的分散性能有著顯著的影響，隨著S/B 的增長，凈漿流動度先增長后降低，當(dāng)S/B 為0.68 時，脂肪族減水劑水泥凈漿流動度最好，當(dāng)S/B 大于0.68 時，水泥凈漿流動度開始下降。結(jié)果表明∶磺化程度越高，脂肪族減水劑的分散性越好，當(dāng)磺化程度超過一定值時，磺酸根就會阻礙分子的聚合反應(yīng)進(jìn)而影響了減水劑的分子量分布，分散性能開始下降。

表1 酮醛摩爾比（B/A）對水泥凈漿流動度的影響

2.2 結(jié)晶水中亞硫酸鈉（S1）與焦亞硫酸鈉(S2)摩爾比對水泥凈漿流動度的影響

在磺化劑S 總量不變的情況下，調(diào)節(jié)S1 與S2之間的質(zhì)量比， 檢測其對水泥凈漿流動度的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 S2/S1 值對水泥凈漿流動度的影響

兩種磺化劑S1 與S2 的質(zhì)量比對水泥凈漿流動度的影響源于副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水中OH-的濃度，由于生產(chǎn)無水亞硫酸鈉的過程中不可避免地引入OH-， 所以其副產(chǎn)結(jié)晶水中含有較高濃度的OH-，S1 與S2 的質(zhì)量比影響著OH-的濃度，OH-的濃度又影響著脂肪族減水劑的分子量分布， 因此，合理地調(diào)節(jié)兩種磺化劑S1、S2 的質(zhì)量比對于提高脂肪族減水劑的分散性能有著重要影響。

2.3 醛酮摩爾比對水泥分散性能的影響

在用量、反應(yīng)時間與反應(yīng)溫度等工藝條件不變的情況下，調(diào)節(jié)丙酮(B)與甲醛(A)的摩爾比，檢測其對水泥凈漿流動度的影響。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

隨著酮醛摩爾比(B/A)的增加，脂肪族減水劑SAF1、SAF2 的凈漿流動度都是先增大后減小，在B/A 為2.0 時， 水泥分散性最好， 當(dāng)B/A 大于2.0時，水泥分散性能逐漸下降。

2.4 兩種不同工藝對砂漿減水率的影響

砂漿減水率是檢測混凝土外加劑的一個重要指標(biāo)， 通過對兩種工藝生產(chǎn)的外加劑SAF1 和SAF2 進(jìn)行膠砂流動度試驗(yàn)，得出結(jié)果見表2。

表2 兩種不同工藝生產(chǎn)的脂肪族減水劑砂漿減水率比較

由表2 可以看出， 兩種工藝生產(chǎn)的脂肪族減水劑SAF1 和SAF2 膠砂流動度分別為183、184，砂漿減水率分別為15.6、15.8，處于同一水平。

2.5 兩種工藝生產(chǎn)的脂肪族外加劑對混凝土性能的影響

表3 為混凝土實(shí)驗(yàn)配合比； 表4 數(shù)據(jù)為兩種工藝生產(chǎn)的脂肪族減水劑SAF1 和SAF2 的混凝土試驗(yàn)結(jié)果。

從表4 數(shù)據(jù)可以看出∶當(dāng)外加劑摻量為1.2%時， 兩種工藝生產(chǎn)的脂肪族減水劑SAF1、SAF2 坍落度和3 d、7 d、28 d 強(qiáng)度比較接近。 摻入SAF1 和SAF2 的混凝土減水率為18%、18.5%，超過了14%的國家標(biāo)準(zhǔn)。

表3 混凝土實(shí)驗(yàn)配合比

2.6 儲存溫度對脂肪族減水劑水泥凈漿流動度的影響

兩個樣品SAF1 和SAF2 在不同溫度下分別儲存72 h，得出凈漿流動度數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 顯示：在儲存溫度較低(T≤30 ℃)時，儲存溫度對兩個樣品的水泥凈漿流動度幾乎沒有影響；當(dāng)30 ℃≤T≤40 ℃時， 兩樣品凈漿流動度開始下降，降幅可以忽略不計(jì)；當(dāng)T≥40 ℃時，兩樣品凈漿流動度開始明顯下降， 并且SAF2 比SAF1 降幅較大。 主要因?yàn)镾AF2 樣品中OH-濃度過高，促進(jìn)了副反應(yīng)的進(jìn)行，降低了減水劑的分散性能，所以儲存溫度應(yīng)該控制在40 ℃以下。

表4 混凝土試驗(yàn)記錄

圖3 儲存溫度對水泥凈漿流動度的影響

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水作為工業(yè)副產(chǎn)品代替了無水亞硫酸鈉作為脂肪族混凝土減水劑的原材料，既降低了企業(yè)環(huán)保處理成本、 保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，又為下游減水劑行業(yè)生產(chǎn)提供了廉價的原材料來源。

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)得出磺化劑與丙酮最合適的摩爾比為0.68，焦亞硫酸鈉與副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水質(zhì)量比為0.07，醛酮摩爾比2.0。

（2）用副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水生產(chǎn)的脂肪族減水劑砂漿減水率為15.8%，超過了通用脂肪族減水劑15.5%的減水率。

（3）使用副產(chǎn)亞硫酸鈉結(jié)晶水生產(chǎn)的脂肪族減水劑1.2%摻量的混凝土減水率達(dá)到了18.5%，混凝土強(qiáng)度達(dá)到了通用脂肪族減水劑的標(biāo)準(zhǔn)。

（4）用亞硫酸鈉結(jié)晶廢水生產(chǎn)脂肪族減水劑儲存溫度應(yīng)低于40 ℃才能保證減水劑的質(zhì)量穩(wěn)定性。

（5）用亞硫酸鈉結(jié)晶廢水生產(chǎn)脂肪族減水劑一方面解決了污水排放的問題，另一方面降低了生產(chǎn)成本，提高了社會和經(jīng)濟(jì)效益。

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