天然高分子基混凝土减水剂合成与应用

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该文在材料过程工程学理论框架内,从可再生资源利用、环境保护等角度出发,选择可再生的天然高分子为主要原材料,通过化学合成制备新型混凝土减水剂/高效 减水剂,系统的研究基于天然高分子的混凝土减水剂的合成条件与应用性能。 根据分子设计理论,首先采用棉纤维素为原材料,制备水溶性丁基磺酸纤维素醚(SBC),探讨了反应物配比、反应温度、反应时间等因素对产物分子结构的影响。

作为对比,探讨了硫酸酯化羟乙基纤维素(SHEC)、微波辐射方法制备淀粉顺丁烯二酸半酯(SMHE)的合成条件及作为减水剂应用的性能。采用傅立叶 变换红外光谱、核磁共振光谱、扫描电镜、电感耦合等离子体发射光谱、凝胶渗透色谱等现代分析手段表征了分子结构。为研究减水剂性能,测定了水泥颗粒吸附减 水剂后ζ—电位,水泥颗粒对减水剂的吸附特性,减水剂在水泥颗粒表面的吸附层厚度,减水剂对水泥水化的影响以及产物对水泥水化物形貌的影响。 减水剂合成的研究结果表明:氢氧化钠与脱水葡萄糖单元及醚化试剂(1,4—丁基磺酸内酯)摩尔比为NaOH:AGU:BS=2.5:1:1.7,最佳反应 温度为75℃,醚化反应时间为4.5h。得到的SBC特性粘度为35.3ml/g(粘均分子量约29,000g/mol),丁基磺酸基团取代度达到 0.38,1%掺量下水泥净浆流动度可达182mm。分次加碱的方法可将产物的取代度从0.38提高到0.67,数均分子量为6177g/mol,1%掺 量净浆流动度270mm以上。在试验范围内,SBC的取代度越高、分子量越低,越有利于减水分散作用的发挥取代度越小缓凝现象越严重,取代度适中的减水剂不会影响水泥/混凝土水化后期强度的发展,而且表现出良好的流动度保持性,水泥颗粒表面ζ—电位(绝对值)随SBC掺量的提高而明显提高,且在 120min内变化较小。

因此,不同取代度的SBC可以用作缓凝减水剂、减水剂和高效减水剂。合成的SMHE取代度达0.49,数均分子量为 7286g/molSHEC取代度达0.49,数均分子量为1978g/mol二者均可提高水泥净浆流动度,但掺量过高缓凝现象严重,均可用作缓凝减 水剂。水泥对SBC的吸附符合Langmuir型等温吸附,其极限吸附量在4.66mg/g～5.49mg/g范围对SNF(商品萘系高效减水剂)和 SMHE的吸附同样符合Langmuir型等温吸附,前者极限吸附量为11.23mg/g,后者的极限吸附量是9.73mg/g。SNF、SBC和 SMHE的吸附层厚度分别是0.82nm、3.72nm和6.82nm,SBC约是SNF的4倍,SMHE约是SNF的8.3倍。吸附减水剂后,Ca2p 结合能发生不同程度位移,表明SNF、SBC、SMHE等三种减水剂在水泥颗粒上均发生化学吸附。 为解释SBC减水作用机理,采用经验公式计算水泥悬浮体系中水泥颗粒受力情况。计算结果表明,水泥颗粒表面吸附SBC形成3.72nm的吸附层后,消弱了 水泥颗粒间的范德华引力,在水泥颗粒靠近到吸附层可以相互压缩时,产生的空间位阻作用力远大于静电斥力和范德华引力,对水泥颗粒的分散起主导作用而吸附 层未相互压缩时,水泥颗粒的分散主要依赖于静电斥力作用。因此,SBC减水分散作用是空间位阻作用和静电斥力协同作用的结果。

水泥浆中高效减水剂掺量与水泥絮凝颗粒分形维数间有关,当高效减水剂掺加到一定量时,水泥絮凝颗粒分形维数D_f突变,该突变对应的减水剂掺量与净浆流动 度法测定的高效减水剂饱和掺量吻合良好,因此将D_f突变对应的减水剂掺量视为饱和掺量,从而建立了以分形维数确定高效减水剂饱和掺量的新方法,该方法与 Marsh筒及净浆流动度法相比具有方便、快捷、节约试验材料等优点。 在水泥絮凝理论的基础上,研究了掺加减水剂前后水泥净浆絮凝体积的变化规律,提出减水因子概念,它涵盖了减水剂、水泥和混凝土的特性。

不同减水剂的减水因 子在0～1范围内,且趋于某定值。研究结果表明,不论哪种减水剂,减水因子越大则减水剂的减水分散效果越明显,减水因子与水泥水化以及减水剂与水泥的相容 性有一定关系。在相同工作性条件下,混凝土用水量随而减水因子的增大而减小,并且基于减水因子计算的用水量与实际试配用水量非常接近。可见,减水因子对混 凝土配合比设计有指导作用,完善了混凝土配合比相关理论。 SBC减水率与其分子结构有关,1%掺量下砂浆减水率为11.2%～16.5%,混凝土减水率为9%～19%掺加SBC8的水泥砂浆抗折强度与抗压强度 提高明显。掺加SBC8的混凝土和易性良好,泌水率比小,保水性能优于SNF。为测试SBC8实际应用性能,配制了C40混凝土,其各龄期强度提高明显, 干缩率在混凝土性能范围内。说明SBC具有实际应用价值。