聚醚类聚羧酸减水剂的合成及其对混凝土性能的影响_姜骞.pdf

聚醚类聚羧酸减水剂的合成及其对混凝土性能的影响姜骞1，吴东阳2，苏昂2，李敏3，周脉席1（1.江苏省建筑科学研究院有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京210008；2.江苏省交通工程建设局，江苏 南京210004；3.中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京211899）摘要：分别采用烯丙基聚氧乙烯醚（HPEG）、甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）和乙二醇单乙烯基聚氧乙烯醚（EPEG）三种聚醚大单体合成了聚羧酸减水剂（PCE），对比研究了所合成的PCE对混凝土流变性能、气泡特征及其经时演化、硬化混凝土外观气泡的影响规律。结果表明：EPEG-PCE与TPEG-PCE的减水率及对混凝土和易性的影响均优于HPEG-PCE，且掺EPEG-PCE新拌混凝土湿筛砂浆的流变参数经时变化小；掺TPEG-PCE和HPEG-PCE试件的气泡参数主要在3060 min和030 min内变化，而掺EPEG-PCE的试件则在090 min无明显气泡突变阶段，对尺寸500 m的气泡稳定性影响顺序为TPEG组HPEG组EPEG组；掺不同大单体PCE试件的表观气泡含量相当，但TPEG组大气泡最多，EPEG组最少。关键词：聚醚；聚羧酸减水剂；混凝土；流变性能；气泡结构中图分类号：TU528.31文献标识码：Adoi:10.19761/j.1000-4637.2023.07.026.05Preparation of typical polyether-type polycarboxylate superplasticizers and analysisof its influence on concrete propertiesJIANG Qian1,WU Dongyang2,SU Ang2,LI Min3,ZHOU Maixi1(1.Jiangsu Research Institute of Building Science Co.,Ltd.,State Key Laboratory of High Performance Civil EngineeringMaterials Nanjing 210008,China;2.Jiangsu Provincial Transportation Engineering Construction Bureau,Nanjing 210004,China;3.China Railway 14th Bureau Group Large Shield Engineering Co.,Ltd.,Nanjing 211899,China)Abstract:Polycarboxylate superplasticizer(PCE)was synthesized with 3 kinds of polyether macromers,namely allylpolyoxyethylene ether(HPEG),methylallyl polyoxyethylene ether(TPEG)and ethylene glycol monovinyl polyoxyethyleneether(EPEG),respectively.The influence of synthesized PCE on the rheological performance of concrete,thecharacteristics of bubbles and their evolution over time,and the appearance of bubbles in hardened concrete werecompared and studied.The results show that the water reduction rate of EPEG-PCE and TPEG-PCE and their influenceon the workability of concrete are better than those of HPEG-PCE,and the rheological parameters of wet-screened mortarfor fresh concrete mixed with EPEG-PCE change little over time.The bubble parameters of TPEG-PCE and HPEG-PCEsamples mainly change in 3060 min and 030 min,while the samples with EPEG-PCE have no obvious bubble mutationstage in 090 min.The order of bubble stability with size 500 m is TPEG groupHPEG groupEPEG group.Theapparent bubble content of the samples mixed with different macromonomer PCE is the same,but the TPEG group sampleshave the most large bubbles,and the EPEG group samples have the least.Keywords:Polyether;Polycarboxylate superplasticizer;Concrete;Rheology performance;Bubble structure基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFF0500804）。0引言聚羧酸减水剂（以下简称PCE）作为高性能减水剂，不仅具有高减水率，还具有使新拌混凝土坍落度保持能力好、使硬化混凝土收缩小、碱含量低、无氯环保等特点，适合于配制高性能混凝土1-2。目前，合成PCE主要以醚类大单体为主，根据分子结构的不同，可将其主要分为三种：乙烯醇类3碳大单体烯丙基聚乙二醇（以下简称APEG）、乙烯醇类4碳与5碳大单体烯丙基聚氧乙烯醚（以下简称HPEG）与甲基烯丙基聚氧乙烯醚（以下简称TPEG）、2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly26-表2混凝土的基准配合比Table 2Basis mix proportion of concrete表1水泥与矿粉的主要化学组成Table 1Main chemical compositions of cement and mineral powderkg/m3%乙烯醚类2+2与2+4型大单体乙二醇单乙烯基聚氧乙烯醚（以下简称EPEG）与4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚（以下简称VPEG）3-4。其中，研究较多的是用HPEG和TPEG大单体制备PCE5-7。但由于EPEG更易进行聚合反应，且适应性高，近年来在国内也逐渐获得更多的关注8-10。目前，采用EPEG合成的PCE对混凝土的流变性能和气泡特征的影响以及相对于HPEG和TPEG合成的PCE性能差异研究相对较少。因此，本文采用三种相同分子量的HPEG、TPEG和EPEG大单体，在相同酸醚比条件下合成PCE，对比研究不同大单体PCE对混凝土流变性能、气泡特征及其经时演化、硬化混凝土外观气泡的影响，以期为EPEG大单体合成PCE的推广应用提供参考。1试验概况1.1大单体PCE的原材料及合成方法1.1.1大单体PCE的原材料HPEG、TPEG和EPEG：工业级，相对分子质量均为2 400；链转移剂、引发剂、丙烯酸、L-抗坏血酸和NaOH均为工业级；水：去离子水。1.1.2合成方法本文三种大单体合成PCE均采用相同酸醚比（3.0）。先分别将一定量的大单体、引发剂和去离子水置于带搅拌功能的反应装置中，调节至反应温度（3040），待大单体完全溶化后，持续滴加丙烯酸、链转移剂和L-抗坏血酸水溶液2 h，滴加完毕再恒温（3040）反应2 h，最后加入NaOH调节pH值至67，分别得到HPEG-PCE、TPEG-PCE、EPEG-PCE。1.2混凝土的原材料及配合比1.2.1混凝土原材料水泥：PO 42.5级水泥；矿粉：S95级矿粉，水泥和矿粉的主要化学组成见表1；细骨料：细度模数为2.6的天然砂；粗骨料：粒径为525 mm的碎石；减水剂：复合型HPEG-PCE、TPEG-PCE、EPEG-PCE（稀释至含固量15%），具有减水和引气功效；消泡剂：有机硅消泡剂；拌合水：自来水。胶凝材料CaOMgOAl2O3Fe2O3SiO2SO3K2ONa2OLOI水泥矿粉66.641.91.607.885.0614.303.560.8721.7429.300.810.510.500.440.130.231.2.2配合比混凝土的基准配合比见表2。在混凝土的基准配合比基础上掺入不同掺量外加剂，其中，根据混凝土的初始坍落度（20010）mm调节PCE掺量，根据混凝土的初始含气量（2.50.5）%调节消泡剂掺量。1.3试验方法工作性：根据GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法标准测试混凝土拌合物的坍落度、扩展度、含气量和倒置坍落度筒排空时间。流变性能：根据GB/T 24192005水泥胶砂流动度测定方法测试新拌混凝土湿筛砂浆拌合后5、15、30、45、60、90、120 min的 流 动 度，并 采 用Brookfield RS/P-SST软固体流变仪与流动度试验同步测试流变性能。预剪切过程控制剪切速率在30 s内从0增大至20 s-1，再在30 s内下降至0，通过预剪切使砂浆在流变性能测试前获得相同的剪切状态；然后在75 s内控制剪切速率从0增加至20 s-1，再在75 s内下降至0；将测得的剪切应力、剪切速率数据按Hershel-Bulkley（以下简称赫-巴）流变模型拟合，得到剪切应力-剪切速率曲线11；根据拟合方程获得砂浆在不同时间的屈服应力和塑性黏度。气泡特征：采用Germann AVA 3000新拌混凝土气孔结构分析仪进行气泡参数测试12：将针筒取样器插入湿筛砂浆表层约1 cm，再抽取4份体积约为20 mL的砂浆进行静置，分别于5、30、60、90 min将其注入黏性缓冲液中，利用磁力搅拌转子释放砂浆中的气泡并收集，仪器自动记录气泡数量、尺寸分布等参数。气泡结构：待气泡特征分析测试后，将湿筛砂浆成型尺寸为100 mm100 mm100 mm的立方体试件，1 d后拆模放入标准养护室内养护至28 d，再置于20、相对湿度50%环境下至面干，采用硬化混凝土气泡间距系数分析仪对试件的非成型面进行硬化气泡结构参数分析。2结果与讨论2.1混凝土的工作性表3为混凝土的工作性测试结果。水泥矿粉砂石水360907301 096144聚醚类聚羧酸减水剂的合成及其对混凝土性能的影响姜骞，吴东阳，苏昂，等27-（a）屈服应力图2不同PCE新拌混凝土湿筛砂浆的流变参数经时变化Figure 2Changes in rheological parameters of wet-screenedmortar for different PCE fresh concrete over time（b）塑性黏度40302010屈服应力/Pa020406080100时间/minTPEGHPEGEPEG020406080100时间/min252015105塑性黏度/（Pas）TPEG R2=0.957 4HPEG R2=0.921EPEG R2=0.984 6表3混凝土的工作性测试结果Table 3Workability test results of concrete组别PCE/%消泡剂/%坍落度/mm扩展度/mm含气量/%倒置坍落度筒排空时间/sTPEGHPEGEPEG1.261.121.090.0550.0390.0532002051953904103