聚羧酸超塑化劑對水泥凈漿流變性能的影響

2006-12-18 00:00

傅樂峰馮中軍馬臨濤沈軍林忠斌俞明輝鄭柏存
（1.上海三瑞高分子材料有限公司，上海，200237；2.華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，上海，200237）

摘要:應(yīng)用回轉(zhuǎn)粘度計(jì)研究了甲基丙烯酸共聚物和馬來酸酐共聚物兩種聚羧酸超塑化劑對水泥漿體流變性能的影響。考察了水灰比、超塑化劑分子結(jié)構(gòu)以及摻量等影響因素。結(jié)果表明水泥凈漿的流變參數(shù)的變化比較好的符合了水泥凈漿工作性的變化。

關(guān)鍵詞：聚羧酸超塑化劑混凝土流變性能

1、前言
新拌混凝土被認(rèn)為是一種Bingham流體^[1]。混凝土流變學(xué)的研究主要集中在新拌混凝土的特性（即一般認(rèn)為的穩(wěn)定性和工作性）或硬化混凝土的性能（徐變和松弛等等）以及水泥凈漿流變學(xué)。^[1-6]外加劑特別是高效減水劑對水泥漿體的流變性能有很大的影響^[7,8]。目前關(guān)于這方面的研究，文獻(xiàn)報(bào)道主要集中在萘系、三聚氰胺等高效減水劑。對于聚羧酸超塑化劑對水泥漿體流變學(xué)的研究比較少。本文研究了甲基丙烯酸共聚物和馬來酸酐共聚物兩種不同結(jié)構(gòu)聚羧酸超塑化劑對基準(zhǔn)水泥漿體流變性能的影響。考察了水灰比、超塑化劑分子結(jié)構(gòu)以及摻量等影響因素。

2、試驗(yàn)

2.1材料

2.1.1超塑化劑

（1）甲基丙烯酸共聚物（PCA）

甲基丙烯酸共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1，共聚物合成參考文獻(xiàn)9。共聚物中聚醚側(cè)鏈的平均長度約16mol（n=16）,甲基丙烯酸占共聚物質(zhì)量的21%，通過GPC測得共聚物的重均分子量(Mw)平均值為18000，分子量分布(Mw/Mn)系數(shù)D=3.1。

圖1 甲基丙烯酸共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

（2）馬來酸酐共聚物（PCM）

馬來酸酐共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖2，共聚物合成參考文獻(xiàn)10。共聚物中聚醚側(cè)鏈的平均長度約為35mol（n=35），聚醚基單體占共聚物質(zhì)量的83%，馬來酸酐占共聚物質(zhì)量的15%，通過GPC測得共聚物的重均分子量平均值為15400，分子量分布系數(shù)D=4.7。

圖2 馬來酸酐共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.1.2基準(zhǔn)水泥

由中國建筑材料科學(xué)研究院提供，化學(xué)成分及物性見表1、2所示。

表1 基準(zhǔn)水泥化學(xué)分析及礦物組成

SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Na₂Oeq	LOSS	f-CaO	C₃S	C₃A
20.63	4.29	2.72	63.15	2.18	3.03	0.60	1.93	0.70	51.99	6.61

表2 基準(zhǔn)水泥物理性能

細(xì)度	比表面積	標(biāo)準(zhǔn)稠度	安定性	凝結(jié)時(shí)間		抗折強(qiáng)度		抗壓強(qiáng)度
				初凝	終凝	3天	28天	3天	28天
1.2	322	27.0	合格	2：47	3：38	5.4	9.3	28.0	54.1

2.2儀器

ARES(Adanced Rheology Expanded System,高級流變擴(kuò)展系統(tǒng))，美國TA儀器公司；NJ-160A型水泥凈漿攪拌機(jī)，無錫錫儀建材儀器有限公司；NJ-160A型水泥凈漿攪拌機(jī)：無錫錫儀建材儀器有限公司；NLD-2流動度測定儀：無錫錫儀建材儀器有限公司。

2.3試驗(yàn)方法

固定水泥30g，稱取一定量的水和超塑化劑于一燒杯中，迅速用玻璃棒攪勻，倒入高級流變擴(kuò)展儀中。在轉(zhuǎn)速100r/min，28℃的條件下，測定水灰比w/c為0.20—0.35，不同超塑化劑摻量時(shí)的水泥凈漿的流變參數(shù)。

3、結(jié)果與討論

3.1水灰比對凈漿流變性能的影響

（a）

（b）

（c）

圖3甲基丙烯酸共聚物在不同水灰比下對水泥凈漿流變參數(shù)的影響

（a）扭矩、（b）粘度、（c）剪切力

空白w/c=0.35是指在w/c=0.35，不摻加聚羧酸超塑化劑；

其他超塑化劑摻量為：水泥量的0.22%

圖4馬來酸酐共聚物在不同水灰比下對水泥凈漿粘度的影響

超塑化劑摻量為水泥量的0.22%

由圖3、4可知，無論是用甲基丙烯酸共聚物還是用馬來酸酐共聚物作為超塑化劑，水泥凈漿的流變參數(shù)隨著時(shí)間的延長都有一個(gè)先下降后上升的趨勢。這是因?yàn)樵诹髯儍x開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，水泥漿體中水、水泥顆粒以及聚羧酸超塑化劑有一個(gè)均勻混合的過程。在這一過程中隨著聚羧酸超塑化劑在水泥顆粒表面的吸附而開始產(chǎn)生分散作用，因而水泥凈漿的粘度、扭矩、應(yīng)力減小。之后隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥凈漿的粘度開始上升，上升的速度與加入超塑化劑的種類和水灰比有關(guān)。

顯然，在水泥水化反應(yīng)過程中，聚羧酸超塑化劑的加入顯著提高了水泥漿體的流變性能。但是這種影響程度大小和水灰比有關(guān)。水灰比在0.25-0.35的范圍內(nèi)，聚羧酸超塑化劑對水泥漿體流變性的影響作用幾乎相似。在較大水灰比下，聚羧酸超塑化劑的作用反而有所下降。換而言之，聚羧酸超塑化劑更適合在低水灰比下發(fā)揮作用。當(dāng)w／c＞0.35時(shí)，試驗(yàn)中觀察到拌和物有離析的趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于毛細(xì)管吸附水和絮凝水的增加。由于超塑化劑可以使拌和物的總用水量下降，極小的用水量的增加都會顯著地影響混凝土拌和物的穩(wěn)定性引發(fā)離析，因此此時(shí)如再繼續(xù)增加超塑化劑的用量就無意義了。為了到達(dá)同樣的工作性，當(dāng)w／c增加時(shí)，可以降低超塑化劑的摻量；當(dāng)w／c降低時(shí)，必須增加超塑化劑的摻量。試驗(yàn)結(jié)果表明，超塑化劑對塑性粘度的影響取決于拌和物的w／c，當(dāng)w／c＞0.35時(shí)，所研究的2個(gè)超塑化劑對塑性粘度的作用都不明顯。

水泥漿體的粘度隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行而上升，體現(xiàn)在凈漿上是流動度的經(jīng)時(shí)損失。表3是摻有不同結(jié)構(gòu)超塑化劑的基準(zhǔn)水泥凈漿經(jīng)時(shí)流動度。

表3 摻有不同結(jié)構(gòu)超塑化劑的基準(zhǔn)水泥凈漿經(jīng)時(shí)流動度

聚羧酸超塑化劑	初始（mm）	60min（mm）	90min（mm）
PCA	200	174	170
PCM	277	204	187

w/c=0.30，超塑化劑摻量為水泥量的0.22%

水泥凈漿的流變參數(shù)的變化比較好的符合了水泥凈漿工作性的變化。在基準(zhǔn)水泥上，摻有馬來酸酐共聚物超塑化劑的水泥漿體初始粘度小，凈漿流動度大，后來黏度迅速上升，在凈漿上顯示就是流動度經(jīng)時(shí)損失大。摻有甲基丙烯酸共聚物的水泥漿體初始粘度相對較大，凈漿初始流動度較小，漿體黏度上升較慢，所以凈漿流動度經(jīng)時(shí)損失較小。因此，可以用流變學(xué)參數(shù)來表征超塑化劑在某種水泥上的適應(yīng)性問題。

3.2聚羧酸超塑化劑的摻量對水泥凈漿流變性能的影響

（a）

（b）

圖4馬來酸酐共聚物的摻量對水泥凈漿扭矩、粘度的影響

（a）扭矩變化（b）黏度變化

水灰比w/c＝0.35

從圖4可知，隨著聚羧酸超塑化劑摻量的增加，水泥漿體的粘度先減??；添加量達(dá)到一定程度后（液體摻量0.80%-1.0%，折固摻量0.18-0.22%），漿體黏度反而增加。因此，超塑化劑有一個(gè)最佳的摻量范圍。摻量太小，作用不明顯；摻量太大工作性沒有提高反而下降。

4、參考文獻(xiàn)

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原作者：傅樂峰馮中軍馬臨濤沈軍林忠斌俞明輝鄭柏存

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