管桩用聚羧酸减水剂的合成与性能研究

管桩用聚羧酸减水剂的合成与性能研究

0混凝土管桩减水剂应用现状预制混凝土管桩是一种混凝土产品，具有强度高、超载大、抗冲击性好、施工方便等优点。广泛应用于高层建筑、大桥、公路、港口码头等行业和公共服务机构。由于其具有优越的性能和较高的技术指标,这就对其使用的原材料、配合比和生产提出了很高的技术要求。而作为混凝土中不可缺的重要组分,减水剂的性能更是对其品质有着重要的影响。聚羧酸减水剂在坍损控制、减水率可调、提升强度、节省水泥、管桩表面光洁度、提高劳动生产率、降低劳动强度、环保安全、功能可调、混凝土黏聚性等方面比萘系减水剂有着很好的优势,但国内目前生产预应力高强混凝土管桩所用的减水剂主要是萘系减水剂,而非聚羧酸减水剂。主要是因为聚羧酸减水剂具有缓凝性,导致生产管桩时静停时间长、离心后挂浆严重、内壁不光滑、混凝土离心脱水困难等缺陷。江苏尼高科技有限公司联合常州永联管桩,研制开发了一种可满足其混凝土性能要求的聚羧酸减水剂。该聚羧酸减水剂用于生产管桩混凝土时,具有低引气、凝结时间短、强度高、黏聚性好、容易离心脱水、不易挂浆等优点。1测试1.1工业级tpeg200丙烯酸、马来酸酐、甲基烯丙基聚氧乙烯醚2400(HPEG2400)、异戊二烯醇聚氧乙烯醚2400(TPEG2400)、巯基丙酸、双氧水、30%氢氧化钠溶液、N-羟甲基丙烯酰胺、维生素C、甲基丙烯磺酸钠,均为工业级。水泥,亚东P·O52.5水泥,密度3.10g/cm3;砂,河砂,表观密度2.65g/cm3,细度模数2.8;磨细砂,比表面积约200m2/kg;碎石:5~20mm连续级配。1.2测试方法1.2.1聚羧酸减水剂的合成在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝管和滴加装置的四口烧瓶中,加入按配方量的软水、双氧水、HPEG、TPEG,然后搅拌并加热至一定温度,在此温度下,滴加按配方量的丙烯酸、马来酸酐等小分子组成的水溶液,(180±10)min滴完,同时滴加维生素C水溶液,(210±10)min滴完,保温90min,然后降温至一定温度,用氢氧化钠溶液调节pH值至7,即得固含量40%的聚羧酸减水剂。1.2.2土外加剂性能测试采用凝胶渗透色谱(GPC)对聚羧酸减水剂进行表征;表面张力按GB/T8077—2000《混凝土外加剂均质性试验方法》进行测试;管桩性能按GB13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》进行测试;含气量按GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能实验方法标准》进行测试;水泥净浆凝结时间按GB/T1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。1.2.3外加剂用量计算预应力高强混凝土管桩混凝土配合比(kg/m3)为:m(水泥)∶m(砂)∶m(碎石)∶m(磨细砂)∶m(外加剂)∶m(水)=278∶832∶1119∶151∶4.28∶91。1.2.4胶凝材料的蒸养方案混凝土由强制式搅拌机拌合,搅拌时间为2min,试件振动成型的时间为1min。由于预养时间、升温速度、恒温时间和温度、降温速度对胶凝材料水化和混凝土性能的影响比较复杂,试验均采用统一的蒸养制度,具体为:成型后,静停2h,进行带模常压蒸汽养护(升温速度1℃/min,温度为90℃,时间为4h),3h降至室温,测试其抗压强度。2结果与讨论2.1聚羧酸减水剂的合成常用合成醚类减水剂的大单体是HPEG2400与TPEG2400。HPEG2400合成的醚类减水剂减水率要比TPEG2400合成的高,但分散保持性较差。管桩生产过程中,要求高减水率的减水剂,且对混凝土分散保持性也有一定要求。单独用一种单体合成的减水剂,或将其与其它小料复配,在管桩生产中总有不足的地方。基于此,使用2种不同结构的大单体合成聚羧酸减水剂,然后应用于管桩生产中。在其它工艺参数相同的条件下,两者不同质量比合成的减水剂对管桩混凝土性能的影响见表1。从表1可以看出,当m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1时,管桩混凝土的综合性能最佳。其原因是,HPEG2400、TPEG2400合成的减水剂在混凝土减水率和分散保持性方面有差异。HPEG2400合成的减水剂混凝土减水率高,但分散保持性相比TPEG2400较差。所以,当比例适当时,可以将两者的优点完美结合起来,使管桩混凝土的状态达到最佳,使成品管桩达到使用要求。2.2合成减水剂对管桩性能的影响丙烯酸、马来酸酐作为主要的小单体,常用于醚类减水剂合成中,两者各有优缺点。丙烯酸对减水剂的初始减水率贡献大,而马来酸酐对减水剂的分散保持性作用较大。研究了两者不同质量比合成减水剂对管桩性能的影响,结果见表2。从表2可以看出:(1)随着马来酸酐用量的增加,常压蒸养混凝土强度先提高后降低,而凝结时间、泌水情况都往不利方向发展。这是由于马来酸酐在碱性环境下慢慢水解成羧基,使减水剂的分散保持性良好,从而使得蒸养混凝土强度先提高后降低,凝结时间延长、泌水性变差,都往不利方向发展。(2)当m(丙烯酸)∶m(马来酸酐)=1∶1时,管桩混凝土的综合性能最佳。2.3n-羟甲基丙烯酰胺对管桩混凝土性能的影响N-羟甲基丙烯酰胺含有2个官能团,一个是羟甲基,另一个是酰胺基。羟甲基可形成交联,对提高混凝土黏聚性有利。酰胺基可以与水泥浆体中的氢氧化钙反应,加速C3S的水化,抑制C3S水化初期形成松散结构的趋势,加速了C-S-H凝胶和钙矾石晶体的形成,提高早期水泥块中针状钙矾石的数量,使得钙矾石结构更加致密,从而提高早期强度。不同用量N-羟甲基丙烯酰胺合成的聚羧酸减水剂对管桩混凝土性能的影响见表3。从表3可以看出,随着N-羟甲基丙烯酰胺用量的增加,蒸养混凝土强度先提高后降低;混凝土黏聚性变好,但离心脱水逐渐困难。原因是,当N-羟甲基丙烯酰胺用量在一定范围内增加时,羟甲基、酰胺基都起正作用,所以蒸养强度也随其用量的增加而提高;但当用量超过一定量时,羟甲基显示的交联作用越明显,导致离心脱水逐渐困难,继而导致挂浆,于是管桩强度呈下降趋势。2.4管桩混凝土含气量亲水亲油平衡(HLB)值是用来衡量表面活性剂分子中的亲水部分和亲油部分对其性质所作贡献大小的物理量。HLB值对减水剂用于混凝土中的含气量指标有一定影响,从而影响管桩混凝土性能,试验结果见表4。由表4可以看出:(1)随着HLB值的增大,混凝土扒底情况得到改善。这样容易离心脱水和布料。但蒸养混凝土强度有所下降。因HLB值高时,容易引气,所以不扒底情况减轻,强度略有下降。(2)HLB值为52.5~54.3时,管桩混凝土的性能最佳。2.5甲基丙烯磺酸钠对管桩混凝土性能的影响甲基丙烯磺酸钠含有磺酸基团,磺酸基团具有高分散性、高减水性,是强电解质阴离子,因其受pH值影响较小,所以含其的减水剂性能稳定。基于这些,研究了不同用量的甲基丙烯磺酸钠合成的聚羧酸减水剂对管桩混凝土性能的影响,结果见表5。从表5可以看出:(1)随着甲基丙烯磺酸钠用量的增加,凝结时间逐渐缩短,初始坍落度逐步增大,但混凝土扒底严重,影响离心脱水及布料。原因是磺酸官能团主要显示高效分散和产生高减水,而羧酸官能团有显著的缓凝作用。当甲基丙烯磺酸钠用量增加,则羧酸官能团比例逐渐减小,所以产生这样的趋势。(2)当甲基丙烯磺酸钠用量为0.7%时,管桩混凝土的性能最佳。2.6混凝土管桩用聚羧酸减水剂根据以上试验结果,按最佳配比:m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1,m(丙烯酸)∶m(马来酸酐)=1∶1,N-羟甲基丙烯酰胺用量为0.35%,HLB值控制在52.5~54.3,甲基丙烯磺酸钠用量为0.7%,合成了1t预应力高强混凝土管桩用聚羧酸减水剂。该减水剂的凝胶渗透色谱如图1所示。由图1可以看出,该聚羧酸减水剂主要由4个组分组成。由HPEG2400、TPEG2400、丙烯酸、马来酸酐、N-羟甲基丙烯酰胺、甲基丙烯磺酸钠共聚得到的组分1面积达92.12%,未反应的HPEG2400、TPEG2400以及自聚的丙烯酸3个组分的面积共7.88%。由此可知,上述配方及工艺是可行的,基本未产生大量的副产物。且组分1的分子质量分布基本上呈正态分布,从而保证了产品品质。将该合成的聚羧酸减水剂在管桩厂用于管桩试生产,生产的管桩性能良好,完全达到实际使用要求,其性能见表6。3hlb/甲基丙烯酰胺磺酸钠减水剂(1)合成预应力高强混凝土管桩用聚羧酸减水剂的最佳工艺为:m(HPEG2400)∶m(TPEG2400)=1∶1,m(丙烯酸)∶m(马来酸酐)=1∶1,N-羟甲基丙烯酰胺用量为0.35%,HLB值控制在52.5~54.3,甲基丙烯磺酸钠用量为0.7%。掺该减水剂的混凝土具有低引气、凝结时间短、强度高、黏聚性好、容易离心脱水、不易挂浆等优点。(2)通过对试生产的减水剂的凝胶渗透