聚羧酸系和脂肪族系高效減水劑選用及合理摻量研究

王 興

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 南平 353000)

0 引言

減水劑起源時間較早,目前已經(jīng)經(jīng)過了多年的發(fā)展和不斷改進(jìn)。1961年,國外科學(xué)家研制出了第一代高效減水劑[1]。相比之前使用的木質(zhì)素磺酸鹽減水劑來說,性能明顯提升,因此也被稱作是“超塑化劑”。經(jīng)過幾十年改進(jìn)后,第二代高效減水劑問世,其典型代表有氨基磺酸鹽。聚羧酸高效減水劑是羧酸和磺酸經(jīng)聚合反應(yīng)而生成的第三代高效減水劑,性能明顯優(yōu)于其它類型減水劑。聚羧酸減水劑其水泥分散性能十分優(yōu)異,有助于混凝土拌和物流動性的提升,有助于混凝土坍落度的提升,有助于降低水泥拌和過程中的用水量,顯著改善混凝土特性。也有部分減水劑會提升混凝土的坍塌速度,增加經(jīng)時損失,若提高摻量可能出現(xiàn)泌水現(xiàn)象[2]。高效減水劑通常情況下不會影響混凝土的凝結(jié)時間,可能摻量過多時會出現(xiàn)延遲凝結(jié)的現(xiàn)象,但并不會影響混凝土的早期抗壓強度。

1 聚羧酸系和脂肪族系高效減水劑的特點

根據(jù)減水劑減水效果和抗壓提升效果的差異可以將其分為普通、高效、高性能等幾種類型的減水劑。如木質(zhì)素磺酸鹽等減水率低于8%的減水劑被業(yè)界認(rèn)為是普通減水劑,又被稱為塑化劑。如氨基磺酸鹽類、脂肪類、萘系以及密胺類等減水率高于18%的被業(yè)界認(rèn)為是高效減水劑,又被稱為超塑化劑。高性能減水劑是包括聚羧酸類高效減水劑等在內(nèi)的、減水率大于25%的減水劑。

1.1 聚羧酸系高效減水劑的特點

聚羧酸減水劑(Polycarboxylate Superplasticizer),有固體和液體兩種存在形式,也是目前混凝土中應(yīng)用最多的一大類減水劑[3]。聚羧酸類高效減水劑根據(jù)主鏈的不同結(jié)構(gòu)可以分為兩大類,分別為甲基丙烯酸或丙烯酸為單元組成的不同主鏈長度的聚醚高效減水劑和主鏈結(jié)構(gòu)為不同側(cè)鏈長度的馬來酸酐單元組成的聚醚類高效減水劑。近些年在這兩大類聚羧酸高效減水劑的基礎(chǔ)上,有許多類似結(jié)構(gòu)的減水劑被研發(fā)出來。

與傳統(tǒng)減水劑相比,聚羧酸類高效減水劑具有以下幾個優(yōu)點[4]：

1)該類高效減水劑可以有效降低水泥使用量。聚羧酸類高效減水劑的一般摻量為膠凝材料總量的0.5%～1.3%之間,因自身具有較為良好的顆粒分散性能,減水效果比傳統(tǒng)減水劑提升許多,通常情況下可以達(dá)到15%～30%。和粉煤灰等混合使用時水膠性顯著下降,通常情況下適合于中等強度和高等強度性能的混凝土。與傳統(tǒng)減水劑相同的是可以有效降低拌和水和水泥的使用量,節(jié)約成本,提高經(jīng)濟效益。

2)第二,聚羧酸類高效減水劑可明顯改善混凝土流動性,顯著降低混凝土在坍落度下的經(jīng)時損失,在較小摻量的條件下和粉煤灰等復(fù)合使用也可以得到流動性能良好的混合物,在混凝土中適用范圍極其廣泛,特別是針對容易堵塞水泵和混凝土來說,聚羧酸類高效減水劑是良好的選擇。

當(dāng)然,優(yōu)點只是相對的,在施工生產(chǎn)中聚羧酸類高效減水劑可能遇到下列問題：

1)攪拌車卸料過程中操作起來較為復(fù)雜,原因可能為水泥與聚羧酸之間具有嚴(yán)重的不適應(yīng)性。因此在開工之前應(yīng)做好所有批次水泥復(fù)配試驗,確定最佳復(fù)配比例,早日發(fā)現(xiàn)問題,并及早解決。

2)混凝土拌和物的坍落度可能突然變大,并出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。遇到這類型問題時應(yīng)及時對外加劑的摻量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3)為了便于施工,施工人員肆意加大了減水劑的摻量,導(dǎo)致混凝土硬化后表面會有不同大小及數(shù)量的氣泡。處理辦法為安排專業(yè)施工人員,嚴(yán)格按照預(yù)設(shè)的配合比施工,如果有必要可以對施工工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,加強施工作業(yè)管理。

4)減水劑的摻量加大或者養(yǎng)護溫度不夠時,容易導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化速度較慢,應(yīng)該適當(dāng)延長混凝土的養(yǎng)護時間。

5)混凝土坍落度與預(yù)料值之間存在較大的差異,兩種外加劑混合使用過程中會出現(xiàn)不相容現(xiàn)象。

1.2 脂肪族系高效減水劑的特點

脂肪族系高效減水劑是由丙酮經(jīng)磺化反應(yīng)后生成的一類羰基焦醛,屬于一種陰離子表面活性劑。分子結(jié)構(gòu)中的疏水基團為脂肪烴,具有高效的減水功能。該類型高效減水劑最早是在河南省出現(xiàn)的,但因原材料中含有甲醛、丙酮等危險化學(xué)品和易燃易爆化學(xué)品,導(dǎo)致脂肪族系高效減水劑和萘系高效減水劑逐漸被其它產(chǎn)品所取代。但脂肪族系高效減水劑具有水泥種類的廣泛適應(yīng)性,具有顯著提升混凝土強度的優(yōu)點,坍落經(jīng)時損失低,且處于低溫狀態(tài)時脂肪族系高效減水劑幾乎不會出現(xiàn)硫酸鈉結(jié)晶問題?；谶@些特點,脂肪族系高效減水劑在配制延緩凝結(jié)、早強、泵送劑、引氣以及防凍等減水劑方面應(yīng)用較為廣泛,也常和聚羧酸類高效減水劑、氨基高效減水劑和萘系高效減水劑復(fù)合使用。

脂肪族系高效減水劑主要包括以下幾個方面的特點：

1)脂肪類高效減水劑具有較高的減水率。摻量在1%～2%之間時的減水率即可達(dá)到15%～25%。在坍落度一致的條件下,使用脂肪類高效減水劑可有效降低水泥用量約30%。

2)具有顯著的增強和早強效果?；炷林屑尤胫绢惛咝p水劑后,強度3 d左右的時間內(nèi)即可達(dá)到預(yù)定強度的2/3,一周即可達(dá)到預(yù)設(shè)強度,四周時間強度是空白混凝土強度的1.5倍。

3)具有顯著的保塑性能。脂肪類高效減水劑和葡萄糖酸鈉、麥芽糊精等緩凝劑摻雜使用可有效降低混凝土坍落度的經(jīng)時損失,1 h內(nèi)經(jīng)時損失幾乎沒有,1.5 h內(nèi)坍落度經(jīng)時損失約10%。

4)脂肪類高效減水劑具有廣泛的水泥適用性、良好的粘合性能及和易性,可以與多種多樣的混凝土外加劑同時使用。

5)可以有效提升混凝土的抗硫酸鹽腐蝕、抗?jié)B和抗凍融效果以及其它物理化學(xué)特性。

6)在以下幾種類型的混凝土中適用性較強,包括流態(tài)塑化混凝土、蒸養(yǎng)混凝土、自然養(yǎng)護混凝土、耐久性抗凍融混凝土、防水抗?jié)B混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和抗硫酸鹽腐蝕混凝土等。

7)脂肪類高效減水劑具有阻燃、抗鋼筋腐蝕、無毒特性,且在冬天寒冷的條件下不容易出現(xiàn)硫酸鈉結(jié)晶體。

脂肪族系高效減水劑的建議使用方法:通常情況下,結(jié)合實驗實際計算和推測最佳摻量,一般為1.5%～2.0%,將拌和水和脂肪族系高效減水劑一起加入到混凝土里;可以先加入拌和水,后加入脂肪類高效減水劑,但需要注意的一點是加入減水劑后需要延遲攪拌時間0.5 min。脂肪族系高效減水劑具有較強的減水效果,所以在混凝土中初凝前,混合物表層可能出現(xiàn)薄薄的一層黃色漿狀物,這屬于正常現(xiàn)象。打好混凝土,收集漿液后黃色會自動消除,也基本不會對混凝土的性能造成影響。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料和設(shè)備

實驗材料如表1所示,原材料性能指標(biāo)如表2和表3所示。

表1 實驗材料表Table 1 Experimental materials

表2 水泥力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of cement

表3 砂土和碎石的骨科性能指標(biāo)Table 3 Sand and gravel orthopaedic performance indicators

所用實驗設(shè)備如表4所示。

表4 實驗設(shè)備表Table 4 Experimental equipment list

2.2 實驗方法

依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8077-2000《混凝土外加劑均質(zhì)性實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)資料對水泥凈漿和經(jīng)時損失進(jìn)行測定。

3 實驗結(jié)果

3.1 聚羧酸系減水劑和聚羧酸系與脂肪族系高效減水劑摻雜對混凝土抗壓強度、減水率以及坍落度經(jīng)時損失的影響對比

依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T8077-2000《混凝土外加劑均質(zhì)性實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)資料要求測定混凝土抗壓能力、減水率以及坍落度經(jīng)時損失。

3.1.1相同坍落度下復(fù)合減水劑的減水率和抗壓強度對比

由表5和表6可以看出,坍落度一致的條件下,高效減水劑混凝土的減水效果和抗壓效果明顯優(yōu)于空白對照品,聚羧酸系高效減水劑單獨使用效果最優(yōu),而脂肪族系高效減水劑單獨使用時減水效果和抗壓效果最差,兩種減水劑摻雜后的效果介于二者單獨使用之間。

表5 減水劑編號及其組成Table 5 The serial number

表6 不同減水劑的減水率和抗壓強度對比Table 6 Comparison of water reduction rate and compressive strength of different water reducers

3.1.2相同水灰比下的混凝土坍落度

表7 相同水灰比下的混凝土坍落度Table 7 Under the same water-cement ratio of concrete slump

由表7可以看出,相同水灰比下,高效減水劑混凝土與空白對照品相比坍落度明顯增加,坍落經(jīng)時損失較小。聚羧酸系高效減水劑單獨使用效果最優(yōu),而脂肪族系高效減水劑單獨使用時坍落經(jīng)時損失效果最差,兩種減水劑摻雜后的效果介于二者單獨使用之間。

3.2 聚羧酸系減水劑和聚羧酸系與脂肪族系高效減水劑摻雜對水泥流動能力的影響對比

水灰比例約3∶10,在此條件下測定聚羧酸系減水劑和聚羧酸系與脂肪族系高效減水劑摻雜對水泥流動能力的影響,結(jié)果如表8所示。

表8 高效減水劑摻雜對水泥流動能力的影響Table 8 High efficiency water reducer doped on cement flow capacity

由表8結(jié)果可知,脂肪族系高效減水劑單獨使用,水泥初始凈漿流動速度、凈漿流動損失效果一般,1.8%摻量初始流動速度約259 mm,1.5 h后流動速度可以保持在175 mm左右。聚羧酸系高效減水劑使用過程中水泥初始凈漿流動速度、凈漿流動損失效果均明顯優(yōu)于脂肪系高效減水劑的應(yīng)用效果。

聚羧酸系高效減水劑和脂肪族系高效減水劑依照三種比例復(fù)合摻量后,效果更為良好。其中80%聚羧酸系高效減水劑+20%脂肪系高效減水劑、50%聚羧酸系高效減水劑+50%脂肪系高效減水劑兩種摻量時,水泥初始凈漿流動速度、凈漿流動損失效果均明顯優(yōu)于聚羧酸系高效減水劑單獨使用的效果。由此結(jié)果可以看出,對于P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥來說,聚羧酸系高效減水劑與脂肪族系高效減水劑復(fù)合使用效果良好。

原因分析:聚羧酸系高效減水劑與脂肪族系高效減水劑復(fù)合使用,聚羧酸族系高效減水劑在水-水泥分散體系中具有較高的吸附性和吸附速率,產(chǎn)生的動電位明顯低于其它減水劑。而動電位的高低是減水劑分散性能的主要體現(xiàn)方式,且兩種減水劑分子間作用力可能影響該體系的分散程度。單獨使用聚羧酸系高效減水劑會占據(jù)其它減水劑的空間而遺留在溶液中。水化作用的加劇,使得水化物將減水劑覆蓋,而聚羧酸系高效減水劑可以延緩覆蓋速度,如此產(chǎn)生的二次吸附可以降低動電位。因此,聚羧酸系高效減水劑單獨使用效果明顯優(yōu)于脂肪族系高效減水劑。但復(fù)合減水劑的使用也可以增強分子間作用力,同時影響減水劑的分散性能,混合使用效果可能更好[5]。

4 結(jié)論

綜合以上結(jié)果來看,高效減水劑混凝土與空白對照品相比坍落度、減水率和抗壓強度明顯增加,坍落經(jīng)時損失較小。聚羧酸系高效減水劑單獨使用效果最優(yōu),而脂肪族系高效減水劑單獨使用時坍落度、減水率和抗壓強度效果最差,兩種減水劑摻雜后的效果介于二者單獨使用之間。聚羧酸系高效減水劑使用過程中,水泥初始凈漿流動速度、凈漿流動損失效果均明顯優(yōu)于脂肪族系高效減水劑的應(yīng)用效果[6]。聚羧酸系高效減水劑和脂肪族系高效減水劑依照三種比例復(fù)合摻雜后,初始凈漿流動速度、凈漿流動損失效果更為良好。