麦芽糊精改性聚羧酸减水剂的合成及其性能研究

麦芽糊精改性聚羧酸减水剂的合成及其性能研究摘要：由于聚羧酸系高性能减水剂具有高减水率、高保坍性等优良性能以及分子结构和性能可设计等特点，成为了混凝土外加剂今后的发展方向和研究的热点之一。因麦芽糊精具有成本低、分子可设计性等特点，所以本实验尝试把麦芽糊精引入到聚羧酸减水剂中从而提高其性能。关键词：麦芽糊精；聚羧酸减水剂；分子可设计性引言混凝土是目前为止世界上最典型且用量最大的建筑功能材料[1]。减水剂则是一种重要的混凝土外加剂，可以把减水剂的发展分为三个阶段，萘系、氨基磺酸系和三聚氰胺系减水剂，因生产过程中加入了甲醛和产生的废液不可降解，制约着减水剂的发展。随着混凝土的使用寿命和技术水平要求不断提高，人们的环保意识也不断增强，因此研究新型的聚羧酸系减水剂成为现在的热点之一。1.聚羧酸减水剂概述1.1聚羧酸减水剂的研究进展1.1.1聚羧酸减水剂国外研究进展20世纪80年代中期，聚羧酸系减水剂（PC）被日本人开发，自1986年引入市场以来，聚羧酸减水剂的研究取得了很大的进展，而且PC逐渐在混凝土工程中得到大量使用。近年来其用量更是占到高性能减水剂的90％左右[2]。1.1.2聚羧酸减水剂国内研究进展我国于20世纪末开始聚羧酸减水剂的研究，近年来，随着环保意识的增加和国家强制力的压力，聚羧酸减水剂大幅度替代萘系减水剂，到2015年的聚羧酸减水剂总产量达到621.9t比2013年增加了24.9%[3]。这表明我国聚羧酸减水剂的用量逐年增加，而且近几年用量也持续较大。1.2本课题研究的意义和主要内容β-环糊精的原料玉米淀粉在自然界存在广泛，容易得到，因此价格低廉，将麦芽糊精引入聚羧酸减水剂可以大大降低聚羧酸减水剂的成本。本文首先采用β-环糊精与AA进行酯化，得到的一种酯化产物，然后通过自由基共聚替代部分的SPEG与AA合成β-环糊精接枝改性聚羧酸减水剂，最后考察替代程度对减水剂性能的影响。2.β-CD聚羧酸减水剂的制备及其性能2.1实验部分2.1.1合成工艺β-环糊精接枝改性聚羧酸减水剂的制备步骤为：先向100ml的四口烧瓶中依次加入360gβ-环糊精﹑124g乙二醇、300g丙烯酸和1.2g对苯二酚，装上搅拌装置和温度计，搅拌均匀后放入油裕锅内加热到90-95℃，然后滴加催化剂浓硫酸5.2g，该烧瓶中会发生酯化反应，5h后停止反应得到β-环糊精酯化产物。然后取大单体SPEG和上述反应得到的酯化产物共350g，其中酯化产物占总量的5%、10%、15%和20%，然后加入到装有搅拌装置和温度计的100ml四口烧瓶中，再加入350g的水，搅拌均匀后，加入一定量的双氧水，然后配制A料、B料用恒流泵滴加加入四口烧瓶中，该装置中会发生自由基共聚反应得到β-环糊精改性聚羧酸减水剂。A料：40g丙烯酸、2.0g老功单和90g水，滴加3小时。B料：2.3g引发剂巯基丙酸（3-M）、90g的水和0.6gVc（引发剂用量为全部单体质量的2%），滴加3.5小时。2.1.2测试内容与表征方法（1）水泥净浆流动度测试净浆流动度测试按照GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》所述方法进行，其中加入水与水泥的比例为0.29。本文章测试的是酯化β-环糊精替代大单体SPEG5%﹑10%﹑15%﹑20%时的净浆流动度。（2）水泥净浆凝结时间测试水泥净浆凝结时间测试参照GB/T1346-2011《水泥标准稠度用水量﹑凝结时间﹑安定性检验方法》。（3）混凝土性能测试根据GB/T8076-2008《混凝土外加剂》进行混凝土性能测试。测定标准养护3、7和28d龄期的抗压强度和1h内水泥试块的坍落度，混凝土抗压强度按GB/T50081进行试验和计算，试验试块的尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体，混凝土坍落度测试按照GB/T50080测定，混凝土配合比参照JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》。2.2结果与分析2.2.1酯化麦芽糊精替代比例对流动度的影响取制备好的CD改性减水剂1.2g，水泥300g，水80g，放入搅拌机内搅拌，然后测试其流动度，实验结果：替代比例为5%、10%和15%时净浆的初始流动度大于没有改性的聚羧酸减水剂，而且改性的聚羧酸减水剂的经时损失也小，不同替代比例的聚羧酸减水剂一个小时后流动度普遍下降。60分钟后未改性的PC的流动度为245mm，而改性后替代比例为5%和10%的减水剂的水泥净浆初始流动度分别为265mm、260mm，大于245mm，流动度增加。因此用酯化后的β-环糊精替代一定量的SPEG会增加水泥净浆的的流动度。对替代10%的减水剂进行每隔半小时的流动度测试，测试结果可以看出替代10%的聚羧酸减水剂加入到水泥净浆中其流动度随时间增加先增加后减小，其初始流动度为264mm，但30min后净浆流动度从264mm增加到270mm然后再下降，120min内从264mm降到250mm，净浆流动度损失率仅仅为6%，说明聚羧酸减水剂有较好的分散性和保坍性。2.2.2酯化β-环糊精替代比例对凝结时间的影响通过对不同替代比例的减水剂的初凝和终凝时间测试，可知替代比例为20%的聚羧酸减水剂的缓释性能最差，替代比例为15%时的减水剂的缓释性能最好，初凝和终凝时间分别为357min和418min，而基准水泥的初凝和终凝时间分别为349min和406min，替代比例为15%的β-环糊精改性减水剂延缓了水泥浆体的凝结。2.2.3酯化麦芽糊精替代比例对混凝土性能的影响替代比例为10%的CD-PC的混凝土试验测试数据表明，随着替代比例的增加混凝土抗压强度呈现先增加后减小的趋势，而且替代比例为10%的聚羧酸减水剂的抗压强度最高，3d、7d和28d的抗压强度分别为18.2、24和35.8MPa。在保坍性能方面，随着替代比例的增加，坍落度现增加后减小，其中替代比例为10%的聚羧酸减水剂的坍落度最好，为220mm-210mm；扩展度也有这样的趋势，为450mm-420mm。3.结语目前成本过高的因素制约着聚羧酸减水剂进一步发展，本文从原料化学改性方面探讨降低聚羧酸减水剂生产成本的问题。本文合成的减水剂具有良好的保坍性和缓凝性能的同时，对混凝土的抗压强度影响不大，且合成的减水剂具有缓释作用，而且β-环糊精价格低廉，当替代比例为10%时，每吨聚羧酸减水剂母液能够节省约445元。参考文献:何天白