一种预制混凝土用外加剂制备方法及性能研究_黄文明.pdf

202312科研开发170Modern Chemical Research当代化工研究一种预制混凝土用外加剂制备方法及性能研究黄文明 熊芬 魏运权 王国亮 魏运超（荆州市赛瑞能源技术有限公司 湖北 434000）摘要：以改性烷撑烯基聚氧乙烯醚、丙烯酸为主要原料合成预制混凝土用聚羧酸高性能减水剂，并与自由水络合剂、抗高温降失水剂、引气剂、防冻剂在一定条件下按照设计比例复合制成的预制混凝土用外加剂。本文还研究了原材料摩尔比、聚合反应引发剂用量、反应时间与反应温度等因素对聚合反应的影响，研究了预制混凝土用外加剂对混凝土性能的影响。关键词：预制混凝土用外加剂；聚羧酸高性能减水剂中图分类号：TU528 文献标识码：ADOI：10.20087/ki.1672-8114.2023.12.056Study on an Admixture For Precast Concrete and Its Homogeneity Test MethodHuang Wenming,Xiong Fen,Wei Yunquan,Wang Guoliang,Wei Yunchao(Jingzhou Sairui Energy Technology Co.,Ltd.,Hubei,434000)Abstract：Synthesis of polycarboxylate superplasticizer for precast concrete using modified alkene polyoxyethylene ether,acrylic acid as main raw materials.Admixture for precast concrete which is compounded with the polycarboxylate superplasticizer,free water complexing agent,high tem-perature resistant fluid loss agent,air entraining agent and antifreeze agent in accordance with the design proportion under certain conditions.The ef-fects of molar ratio of raw materials,dosage of polymerization initiator,reaction time and reaction temperature on polymerization were also studied in this paper.Through the research on the influence of admixtures for precast concrete on the fluidity of cement paste,and the research on the adaptabil-ity of cement.The influence of admixtures for precast concrete on concrete properties is studied.Key words：adxture for precast concrete；high performance water reducing agent for polycarboxylic acid随着建设施工使用的预制混凝土构件产品在地铁工程、西气东输工程、海绵城市建设、大型桥梁建设工程中预制拼装节段梁、高速公路铁路建设中预制清水混凝土饰面板、隧道施工中高精度钢筋混凝土盾构管片的使用量剧增。多功能预制混凝土用外加剂，因具有后期强度损失小、保塑性好、不易渗透、抗蚀防腐性能强、耐高温严寒等优越的综合性能，而受混凝土构件施工工程的青睐，也是当前国内外预制混凝土外加剂的研究热点1-3。本研究根据预制混凝土外加剂主导官能团具有特殊性能的原理4，即不同的官能团在预制混凝土外加剂分子里具有不同特能5-6的原理，以双氧水为引发剂，合成一种分子结构中含有羟酸根、羟基根、氨基根与芳香磺酸根等阴离子，以及烷基等憎水基团的预制混凝土用聚羧酸高性能减水剂，并将该减水剂与自由水络合剂、抗高温降失水剂、引气剂、防冻剂在一定条件下，按照设计比例复合制成的预制混凝土用外加剂。本文还对最佳原料投料摩尔比、引发剂用量、反应时间、反应温度等反应条件进行了研究，同时研究了预制混凝土用外加剂对混凝土性能的影响。1.试验部分(1)预制混凝土用外加剂合成用原材料表1 预制混凝土用聚羧酸高性能减水剂合成原材料序号料名称名称化学式 规格厂家/批号性质1烷撑烯基聚氧乙烯醚C8H14O3(C2H4O)n(C2H4O)mH2 工业纯武汉奥克/221207935易溶于水，白色固体2顺酐C4H2O3工业纯湖北鑫润德/064712激气味，易溶于乙醇3丙烯酸C3H4O2工业纯武汉常青/20221204激气味的液体4丙烯酰胺C3H5NO工业纯武汉兴众诚/2204124易溶于水52-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸C7H13NO4S工业纯进鑫生物/59325易溶于水，部分溶于醇6双氧水H2O2工业纯湖北中水化工/12038氧化剂、无色透明液体7维生素CC6H8O6工业纯湖北日升昌/101249无色晶体，易溶于水8氢氧化钠NaOH工业纯兴银河化工/221204腐蚀性的强碱9自由水络合剂HXY/HMP工业纯武汉鑫水乐/037546电解质聚合物10抗高温降失水剂GS工业纯湖北龙海化工/-聚合物11引气剂AH-1工业纯恒利建材/06157烷基芳烃磺酸盐12防冻剂C6H14O2工业纯恒利建材/07843无机盐202312科研开发171Modern Chemical Research当代化工研究预制混凝土用外加剂主要原料如表1所示。(2)流动性及应用研究所用原材料水泥：德威P.O 42.5级水泥；利森P.O 42.5级水泥；实佳P.O 42.5级水泥；中联P.O 42.5级水泥。砂：细度模数为3.02.3的中砂，平均粒径为 0.50.35mm。小石子：51石子粒径：510mm。大石子：12石子粒径：1020mm。矿粉：S95级矿粉。拌合用水：自来水。参照用外加剂：聚醚类高性能外加剂（HL-8000A）、聚羧酸类高性能外加剂（HL-8000B），湖北恒利建材科技有限公司生产。(3)测试与表征凝胶色谱分析，取样0.6mL加入到10mL样品管中，加入含0.1mol/L硝酸钠的蒸馏水溶液至刻度线，分散均匀，以0.1mol/L硝酸钠溶液为流动相，流量为0.6mL/min，测定各原材料的转化率。流动度及应用研究，水泥净浆流动度、适应性等应用研究按照GB/T 8077-2000混凝土外加剂匀质性试验方法进行；减水率、坍落度、经时坍落度、抗压强度、抗压强度比测试，按照GB 8076-2008混凝土外加剂要求进行。2.结果与讨论(1)原料摩尔比对净浆流动度的影响预制混凝土外加剂所选用的聚羧酸高性能减水剂是以改性烷撑烯基聚氧乙烯醚、羟酸根、羟基根、氨基根与芳香磺酸根等阴离子，以及烷基等憎水基团为侧链，以聚丙烯酸等为主链的高分子聚合物。根据预制混凝土外加剂性能要求，采用正交实验数据与净浆流动度测试结果，确定各原材料的投料摩尔比。设定双氧水的用量为改性烷撑烯基聚氧乙烯醚总质量的3%、恒温搅拌温度为40、恒温搅拌时间为4h的条件下，进行配比优化实验，其原料因素见2，实验结果见表3。表2 预制混凝土外加剂原料摩尔比设计L18（37）水平因素表主因素影响水平1影响水平2影响水平3烷撑烯基聚氧乙烯醚(A)1232-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸(B)1.52.53丙烯酸(C)1.522.5丙烯酰胺(D)1.522.5顺酐(E)0.030.080.13通过表3的数据可知，通过每个因素、结合R值的大小，确定各影响因素的最优水平，选择最佳组合，最后确定各原料单体的摩尔配比为：n（改性烷撑烯基聚氧乙烯醚）：n（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸钠）：n（丙烯酸）：（丙烯酰胺）：n（顺酐）=2.0:2.5:2.0:1.5:0.03。表3 预制混凝土外加剂单体摩尔比正交实验结果序号ABCDE净浆流动度/mmA111.51.51.50.03290A211.51.51.50.03230A311.51.51.50.03244.5A422.5220.08240A522.5220.08245.5A622.5220.08270.5A7332.52.50.13240A8332.52.50.13242.5A9332.52.50.13262A1012.52.52.50.03264.5A1112.52.52.50.03271.5A1212.52.52.50.03270.5A13231.51.50.08272.5A14231.51.50.08260.5A15231.51.50.08270A1631.52.220.13271.2A1731.52.220.13260A1831.52.220.13272K1156515581354.51586.51593-K2157315141541.515431549.5-K31545.51616.51570.515861592.5-k1262.5260.5260.58268.25264.85-k2262.89261.83254.25261.5255.57-k3258.92268.61269.42260.55259.81-极差R3.978.118.847.75.04-优水平22.521.50.03-优组合22.521.50.03-(2)引发剂用量对净浆流动度的影响按最佳摩尔比投料，按不同比例滴加引发剂，滴料完毕，升温至40，并恒温均速搅拌4.0h，得到多种产品，用于拌和水泥净浆。根据净浆流动度结果，确定引发剂的最佳用量，试验结果见图1。图1 引发剂用量对净浆流动度的影响结果202312科研开发172Modern Chemical Research当代化工研究结果显示，当引发剂用量达到改性烷撑烯基聚氧乙烯醚总量的4%时，产品拌和水泥净浆的初始和经时流动度均达到最大，因此，引发剂用量为4%。(3)时间对净浆流动度的影响在制备预制混凝土外加剂的聚合反应中，原料间聚合程度与反应时间长短关系密切。如果反应时间不足，则物料之间的聚合度就很低，这就会导致研究产品的分散性不满足要求；如果反应时间过长，反而会导致聚合物的长侧链断裂，或者脱落，也会导致研究产品的分散性不满足要求，所以需对聚合反应的时间进行控制。按得出的最佳摩尔比、确定的引发剂用量进行投料，滴料完毕，恒温40搅拌，搅拌不同的时间，得到多种产品，用于拌和水泥净浆。根据净浆流动度结果，确定最佳反应时间，试验结果见图2。由图可知，聚合时间为3h时，产品拌和水泥净浆的初始和经时流动度均达到最大，因此，确定恒温反应时间为3.0h。图2 反应时间对净浆流动度的影响结果(4)温度对净浆流动度的影响在制备预制混凝土外加剂聚合反应中，各原料的聚合程度、聚合速率都会受到反应温度的影响，温度过高可能会导致爆聚，得到的产品不符合设计要求，温度过低，可能会导致产品的聚合度不符合预期，得到的产品的综合性能均不满足设计需要，所以需对反应时间进行控制。图3 反应温度对净浆流动度的影响结果按试验得出的最佳摩尔比、确定引发剂用量进行投料，投料完毕，恒温搅拌3.0h，按设定恒温反应值得不同，得到多种产品，用于拌和水泥净浆。根据净浆流动度结果，得到最佳反应时间，试验结果见图3。由图3可知，搅拌温度为30时，产品拌和水泥净浆的初始和经时流动度均达到最大。因此，确定反应温度为30。(5)预制混凝土用外加剂的凝胶色谱分析为确定减水剂分子量与分子量分布结果，采用凝胶色谱分析测试，色谱图见图4，分析结果见表4。图4 预制混凝土用外加剂的色谱图表4 预制混凝土用外加剂的GPC测试结果分析减水剂共聚物面积/%MnMwMpMw/Mn预制混凝土用外加剂99.51400628234157412.01(6)预制混凝土用外加剂对水泥适应性的研究选用不同厂家制造的水泥进行预制混凝土用外加剂对水泥的适应性研究，设计掺量为0.18%、0.22%、0.26%、0.30%、0.34%（按折固含量计），试验结果见表5。表5 预制混凝土用外加剂对水泥适应性水泥种类掺量/%净浆流动度/mm1h净浆流动度/mm基准水泥0.182642650.222762760.282822820.32302350.34292292德威42.50.182402410.222542600.262682710.32632630.34268268利森42.50.182412420.222552580.262822830.32502530.34248251202312科研开发173Modern Chemical Research当代化工研究水泥种类掺量/%净浆流动度/mm1h净浆流动度/mm实佳42.50.182452450.222582580.262722750.32622630.34260261中联42.5级0.182442450.222612630.262722750.32602610.34268269通过产品新拌水泥的净浆流分析表面分散效果、保塑性，选择1h净浆流动性变化波动较平稳，损失很小的掺量为0.26%。(7)预制混凝土用外加剂在混凝土中的应用研究拟定配合比如表6所示。配合比设计（以C50为例）方法为：以序号l、2、3为例，1为基准配合比，采用普通外加剂进行试验；2与3为对比配合比，与1相比，2与3均保持砂率与设计容重不变，但是2减少水泥用量40kgm（约为胶材总量的8.5%），用水量5kgm-3；3减少水泥用量60kgm-3。（约为胶材总量的12.5%），用水量5kgm-3，2与3均采用本研究产品进行试验。相应的，表中所示的4、5与6为一组。强度及工作性能数据见表7。表6 预制混凝土影响配合比序号混凝土配合比外加剂水泥矿粉水砂石子148001497561045HL-8000A244001457751070研究产品342001457831082研究产品4408721497561045HL-8000B5368721457751070本研究产品6348721457831082本研究产品表7 对预制混凝土影响试验结果序号强度/MPa工作性掺量减水率3d7d28d56d坍落度/mm扩展度/mm容重/(kgm-3)130.445.151.261.566.220553824501.20236.848.055.467.871.218252424401.253-46.252.161.867.318552224301.30431.543.150.260.163.221553124001.105-44.552.762.570.118652724001.256-44.050.660.768.818853624201.2由表7可知：研究产品的减水率高于36%；序号2各龄期的强度都均比序号1要高，序号3各龄期的强度较序号2有所减少，但强度数据均比序号1要好；掺加了15%矿粉的序号4、5、6的强度发展规律基本与前一组类似，也说明了研究产品在大掺量矿物掺合料混凝土中的适应性较好。3.结论（1）以聚丙烯酸等为主链、以大单体烷撑烯基聚氧乙烯醚、含有羟基、羧基、氨基与磺酸基的特殊基团为侧链，制备了预制混凝土用聚羧酸高性能减水剂，并与自由水络合剂、抗高温降失水剂、引气剂、防冻剂复合后得到目标产品。（2）本文分别探讨了原材料摩尔比、聚合反应引发剂用量、反应时间与反应温度等因素对聚合反应的影响，确定了各影响因素的最优参数。其最佳参数为：n（改性烷撑烯基聚氧乙烯醚）：n（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙基磺酸钠）：n（丙烯酸）：（丙烯酰胺）：n（顺酐）=2.0:2.5:2.0:1.5:0.03、引发剂用量为大单体质量的4%、反应温度为30、反应时间为3.0h。（3）预制混凝土用外加剂对混凝土测试结果表明，当掺量为0.26%时，净浆流动度保持性能良好，减水率为36%，对水泥的适应性较好，与聚醚类、聚羧酸类常用的预制混凝土外加剂相比，本研究预制混凝土用外加剂具有更高减水率、坍落度保持性能和更加优秀的强度。【参考文献】1周科利,刘瑾,李真.含短侧基低分子量聚羧酸系减水剂的合成与作用机理探讨J.材料科学与工程学报,2011,29(2):295-300.2何靖,庞浩,张先文,等.新型聚醚接枝聚羧酸型高效混凝土减水剂的合成与性能J.高分子材料科学与工程,2005,21(5):44-50.3杜鹏飞,孙永强,康保安.聚羧酸系减水剂引入聚氧乙烯侧链的新方法J.新型建筑材料,2010(4):59-61.4马保国,谭洪波,潘伟.聚羧酸系混凝土减水剂合成工艺及性能研究IJ.新型建筑材料,2007(6):48-51.5GB/T 50082-2009,普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准S.6高锦美,孙彦琳,王红.功能性官能团改性高效聚羧酸减水剂研究D.昆明理工大学学报:理工版,2010,35(6):94-99.【作者简介】黄文明（1980-），男，重庆酉阳人，本科，工程师，研究方向：新型多功能化学品关键技术研究。续表