高强混凝土管桩聚羧酸减水剂的合成与性能研究

高强混凝土管桩聚羧酸减水剂的合成与性能研究

0聚羧酸减水剂及其应用预制混凝土管桩（phc管桩）是近年来发展迅速、应用广泛的高速混凝土产品。它具有强度高、超载大、抗冲击性好、施工方便等优点。广泛应用于珠江三角洲、长江三角洲、渤海湾周边地区的高层工地建筑、大架桥、公路、港口码头等工业和公共建筑。由于其优越的性能特点和较高的技术指标,这就对PHC管桩的原材料、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或缺的重要组分,减水剂的性能更是对PHC管桩的品质有着重要的影响。由于PHC管桩特殊的成型方式与性能要求,一般来说,用于配制PHC管桩混凝土的减水剂大多为减水率高、与胶凝材料适应性好的高效减水剂产品,要求其具有粘聚性好、超早强、引气均匀稳定等特点。目前,国内用于PHC管桩生产的减水剂大多为萘系减水剂。由于萘系高效减水剂的主要原料工业萘供应逐年紧张,已经远远不能满足生产需求,并且萘系减水剂在生产过程中会产生工业“三废”,不符合目前“低碳环保”的可持续发展主张。而作为一种新型、环保、功能可调的外加剂,聚羧酸系高性能减水剂以其具有的技术优势,迅速发展,目前已广泛应用于高层建筑、铁路、公路、港口、桥梁、水电站等工程领域,用于配制清水混凝土、高耐久性混凝土、顶升泵送混凝土等高性能混凝土以及普通混凝土。而由于PHC管桩混凝土的特殊性,国内关于聚羧酸减水剂在PHC管桩中应用的报道甚少。本文探讨在聚羧酸减水剂的合成阶段通过对分子进行功能化设计,研制一种适应PHC管桩混凝土的性能要求,具有低引气和超早强性能的聚羧酸减水剂GS。为管桩行业提供了一种性能可靠的混凝土高效减水剂。1聚羧酸根水剂的开发1.1原料aa烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(APEG):辽宁产,聚合度n=54;丙烯酸(AA):工业级,广州产;甲基丙烯磺酸钠(MAS):工业级,山东产;丙烯酰胺(AAm):工业级,山东产;30%液碱(NaOH):工业级,福建产。1.2减水剂的分子目前用于“一步法”合成聚羧酸的烯丙基聚醚大多为烯丙基聚氧乙烯醚,EO链段由于其强烈的亲水性提高了聚羧酸分子的分散作用,但也因此对不稳定气泡的形成提供了有利条件。本实验使用的烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚,在EO链段的末端引入PO短链,有效地降低了分子的亲水亲油平衡值(HLB),使其在引气和抑泡2个矛盾中寻求有益的平衡,适当降低引气性,同时达到提高粘聚能力的目的。由于聚醚侧链在减水剂分子结构中的相对密度降低,较长的EO侧链使得聚羧酸分子对水泥颗粒的包裹作用减弱,分散作用使水泥与水的接触面积增加,同时使得水泥水化加速,所以具有早强作用,因此选择聚合度较大(n=54)的烯丙基聚醚。根据DLVO电荷排斥理论,在减水剂分子的主导官能团中,羧酸根(—COO-)主要显示缓凝保坍作用,磺酸根(—SO3-)主要显示减水能力。羧酸根与磺酸根按一定规律组合在同一个分子里,会显示出各自两方面的主导作用,并且随着基团的增减和比例的改变,其功能的侧重也会发生相应的变化。在减水剂分子的主链中引入一定数量的磺酸基团,能有效地提高分子的减水能力,同时抑制缓凝作用,达到早强的目的。因此选择第三单体甲基丙烯磺酸钠,在减水剂分子中引入一定量的磺酸基团。在减水剂的非主导官能团中,氨基(—NH2)结构对保持水泥拌合物的和易性有良好作用,并能有效促进水泥水化。但是,减水剂分子中的氨基比例过大则会导致分子量增大而使减水率大幅下降。因此,选择使用少量丙烯酰胺来取代部分丙烯酸作为第四单体,以提高早强、增强的效果。1.3甲基丙烯酸钠mas和丙烯酰胺aam混合水溶液的制备往装有电动搅拌器、温度计、滴液漏斗和回流冷凝管的反应瓶中投入烯丙基聚氧乙烯聚氧丙烯醚(APEG)和适量的水,加热升温至设计温度;分别滴加链转移剂甲基丙烯磺酸钠(MAS)、丙烯酰胺(AAm)的混合水溶液,并分2次滴加丙烯酸(AA)。物料滴加结束后,保温一定时间停止加热,加入30%NaOH进行中和,将pH值调至7.0,得到聚羧酸减水剂GS。1.4试验方案及控制效果根据对聚羧酸合成过程的认识,认为影响反应的主要因素分别为:APEG与AA的配比、MAS用量、聚合反应温度和保温时间。考虑反应过程中各因素之间的相互作用,本实验设计4因素3水平的正交试验,找到最优化条件,试验方案见表1。本实验选择水泥净浆流动度作为评价指标,试验水泥选用台泥P·O52.5,水灰比为0.29,减水剂固体掺量为0.20%。正交试验结果见表2。由表2可见,各因素对聚合反应的影响大小依次为D>B>C>A,即保温时间对反应的影响最大,其次为链转移剂MAS用量,聚合反应温度,AA与APEG配比的影响则最小。且各影响因素的极差R均不大,说明该正交实验所考察的水平已接近最佳水平,所以最佳工艺条件为:A3B1C3D1,即n(AA)∶n(APEG)=4.5∶1.0,n(MAS)∶n(APEG)=0.65∶1.00,聚合反应温度75℃,保温时间2.0h。2应用测试2.1细度模数及矿粉质量水泥:台泥水泥厂生产的P·O52.5水泥,密度3.10g/cm3;普通砂:表观密度2.65g/cm3,细度模数约2.8,含泥量小于1.0%,泥块含量小于0.5%;磨细砂:比表面积约200m2/kg;矿粉:比表面积420m2/kg左右;碎石:5~20mm的连续颗粒级配,泥块含量小于0.3%;萘系高效减水剂:Point-B减水剂,福建科之杰公司生产,含固量33%;自制聚羧酸系减水剂GS,含固量20%。2.2管桩混凝土蒸养强度试验试验从粘聚性、保水性等方面保证混凝土的匀质性,坍落度控制在35~55mm。管桩混凝土用100mm×100mm×100mm的试模成型,按照GB13476—2009《先张法预应力混凝土管桩》的要求进行试验,福州某管桩企业标准要求5h蒸养强度达45MPa以上,8h蒸压强度时达90MPa以上。管桩混凝土的蒸养强度试验采用将成型好的试块在室温(20±2)℃放置30min后在蒸养池(80℃)中蒸养5h,取出的试块在空气中放置使之冷却,然后进行抗压强度试验;蒸压强度试验采用将蒸养后的试块置于蒸压釜中(180℃,1MPa)蒸压养护8h,取出的试块在空气中放置使之冷却,然后进行抗压强度试验。2.3聚羧酸系减水剂混凝土试配试验在福州某管桩企业试验室进行,从混凝土的工作性能和力学性能等方面研究了减水剂GS(与萘系减水剂Point-B作对比)对PHC管桩混凝土性能的影响,并在此基础上对2类减水剂在PHC管桩混凝土中的应用进行了经济分析,最后优化选择使用聚羧酸系减水剂GS。2.3.1混凝土的摩尔比本试验使用该管桩企业生产所用的配合比(见表3)。2.3.2混凝土掺量对新拌混凝土性能的影响掺不同减水剂的新拌及硬化混凝土的性能见表4。由表4可见,当减水剂GS掺量较低(0.65%)时,混凝土的强度能完全符合性能要求并有所富余,但工作性不足,难以满足生产需要;当掺量较高(0.75%)时,新拌混凝土的流动性良好,但引入少量气泡,影响了后期的强度;当掺量为0.70%时,混凝土的粘聚性良好,无泌水,引气均匀细密且无肉眼可见气泡,与现生产所用的Point-B减水剂相比强度相当,对混凝土具有早强和增强效果,能同时满足管桩生产对混凝土工作性能和力学性能的要求。2.3.3混凝土配合比从混凝土成本考虑,对聚羧酸减水剂GS与萘系减水剂Point-B应用于PHC管桩生产,从经济角度进行对比。以本试验的混凝土配合比为例,经济分析结果见表5。从表5可见,采用聚羧酸减水剂GS时,单方混凝土消耗减水剂的成本要低于采用萘系减水剂Point-B的成本。表明聚羧酸减水剂GS的经济性良好。2.3.4混凝土骨料的包裹性能从混凝土性能角度看,聚羧酸减水剂GS掺量为0.70%时与萘系减水剂Point-B相比,混凝土骨料的包裹性能较好,蒸养强度相当且蒸压强度略高;从经济性角度看,聚羧酸减水剂更能降低单方混凝土的成本,因此在管桩混凝土中使用聚羧酸减水剂GS,无论从技术性能还是经济性看,都是可行的。3减水剂gs合成的最佳条件(1)通过对分子进行功能化设计,制备了一种适应PHC管