新型聚羧酸系超塑化劑與水泥相容性初探

摘要: 通過調(diào)整石膏含量和形態(tài)，考察水泥中調(diào)凝石膏對水泥與聚羧酸系超塑化劑相容性的影響，提出可以通過對聚羧酸系超塑化劑進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)改性，來提高水泥和聚羧酸系超塑化劑之間的相容性。

關(guān)鍵詞: 聚羧酸系；超塑化劑；水泥；石膏；相容性

中圖分類號: TU528.042.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1001- 702X01- 0056- 04

0 前言

隨著現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展，要求混凝土向高強(qiáng)、輕質(zhì)及施工流態(tài)化方向發(fā)展。高性能超塑化劑作為一種化學(xué)外加劑，已成為配制高性能混凝土必不可少的組份，它可以最大限度地控制混凝土的用水量，提高混凝土的耐久性，克服普通混凝土坍落度損失過快的缺點(diǎn)，縮短凝結(jié)時(shí)間等。

然而，混凝土外加劑在經(jīng)歷了快速發(fā)展及大規(guī)模推廣應(yīng)用后，始終困擾業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的難題依然是外加劑與水泥品種的適應(yīng)性問題。幾乎所有品種的外加劑與水泥之間都存在適應(yīng)性問題。以目前使用最為普遍的減水劑為例，當(dāng)其與水泥產(chǎn)生不適應(yīng)性的時(shí)候，會(huì)非常明顯地表現(xiàn)出流動(dòng)性變差、減水率降低、坍落度損失過快等，而至今還沒有一種通用減水劑能適應(yīng)所有的國產(chǎn)水泥品種。

聚羧酸系減水劑作為第三代新型混凝土高效減水劑，因其相對于萘系高效減水劑具有高減水率、低收縮、高強(qiáng)度、低泌水和坍落度損失小等優(yōu)點(diǎn)，其生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展很快。目前，國內(nèi)從事聚羧酸外加劑研發(fā)、生產(chǎn)、供貨的單位有幾十家，主要產(chǎn)品達(dá)十幾種。北京、上海、天津、廣州等城市的許多預(yù)拌混凝土攪拌站，都已經(jīng)應(yīng)用或正在嘗試使用聚羧酸外加劑配制混凝土。起初，聚羧酸外加劑主要用于配制高強(qiáng)、自密實(shí)、高流態(tài)等特種和高性能混凝土。隨著聚羧酸外加劑生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)不斷提高，產(chǎn)品逐漸系列化，成本逐漸降低，聚羧酸外加劑同樣可用于配制中低強(qiáng)度的高性能混凝土。隨著聚羧酸外加劑的推廣應(yīng)用，對其性能特點(diǎn)的認(rèn)識也不斷深化，即聚羧酸外加劑同樣也存在與混凝土中的其它材料的適應(yīng)性問題。了解不同聚羧酸外加劑產(chǎn)品與不同水泥品種的相容性特點(diǎn)，對正確使用和充分發(fā)揮聚羧酸外加劑的性能有重要意義。

水泥與超塑化劑之間的相互作用是一種非常復(fù)雜的物理化學(xué)現(xiàn)象，必須做嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治?。只有充分了解水泥、熟料以及超塑化劑的物理和化學(xué)性能，才可以分析這種水泥與超塑化劑作用下漿體的流變行為。而目前國內(nèi)對水泥和高效減水劑之間適應(yīng)性的研究還很少，一般都是根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，因此，開展此方面的研究對高效減水劑的合理使用及其推廣應(yīng)用意義重大。

1 新型羧酸系梳形共聚物超塑化劑的分子結(jié)構(gòu)特征

羧酸系梳形共聚物根據(jù)其主鏈結(jié)構(gòu)的不同可以分為2類[1- 2]：即I 類以丙烯酸或甲基丙烯酸為主鏈，接枝不同側(cè)鏈長度的聚醚；II 類以馬來酸酐為主鏈接枝不同側(cè)鏈長度的聚醚。其中I 類又分為:主鏈上帶有COO-基團(tuán)，聚氧乙烯側(cè)鏈以COO酯鍵相連；主鏈上帶有COO-基，而PEO 側(cè)鏈以CON 酰亞胺鍵形式相連[3]；主鏈上帶有COO-基團(tuán)外，還帶有磺酸根基團(tuán)，而PEO 側(cè)鏈仍以COO 酯鍵形式相連[4- 5]。II類分為：馬來酸酐和烯丙醇醚的共聚物[6- 7]、苯乙烯和馬來酸酐共聚物與單甲基聚醚的接枝物[7]。這些梳形共聚物共同的結(jié)構(gòu)特征是：主鏈上都含有羧酸基吸附基團(tuán)，側(cè)鏈上鏈接有PEO 提供空間位阻，不同長度的聚醚側(cè)鏈或長短不同的聚醚側(cè)鏈進(jìn)行組合，在水泥顆粒上的吸附行為就不同，提供的位阻效應(yīng)也不同，其分散性能也截然不同。

正是由于羧酸系梳形共聚物化學(xué)結(jié)構(gòu)上的多變性，高性能化的潛力大，才引起了世界各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。這些聚合物可以通過改變主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)、側(cè)鏈聚醚種類和長度、主鏈分子量大小及分布、離子基團(tuán)含量來實(shí)現(xiàn)聚羧酸外加劑的高性能化。圖1 表示聚醚側(cè)鏈長度不同的梳形共聚物分子結(jié)構(gòu)圖像[8]，短側(cè)鏈的梳形共聚物空間位阻作用較弱，分散性能較差，但保坍性能優(yōu)異；長側(cè)鏈聚醚的梳形共聚物空間位阻效應(yīng)強(qiáng)，分散效果好，但流動(dòng)度損失快。長短不同的側(cè)鏈進(jìn)行組合可以改變其在水泥顆粒界面的行為，既能顯示出較高的初始流動(dòng)性，也具有良好的坍落度保持能力[5]。

2 外加劑與水泥適應(yīng)性的主要影響因素

2.1 水泥的礦物組成

水泥的礦物組成因生產(chǎn)廠家在原材料、生產(chǎn)工藝等方面存在差別而有所不同。我國大中型水泥廠水泥熟料的主要成分波動(dòng)很大，C3S 含量可以相差1 倍以上，C3A 含量則可能相差6 倍。就是同一廠家的水泥熟料其礦物成分也會(huì)有所波動(dòng)，據(jù)某年調(diào)查，C3S 波動(dòng)在±2.5%以內(nèi)的廠家有50%以上，C3A波動(dòng)在±1%以內(nèi)的廠家有70%以上。陳建奎[9]通過對水泥熟料礦物組分C3S、C2S、C3A、C4AF 對木鈣分子的等溫吸附的研究表明，他們對木鈣減水劑的吸附程度為：C3A>C4AF>C3S>C2S，可見，鋁酸鹽相礦物對木鈣的吸附程度大于硅酸鹽相礦物。由于C3A 對木鈣的選擇吸附，使得吸附量顯著增加，這樣就會(huì)降低減水劑的減水作用。因此，在摻量相同的情況下，C3A、C4AF 含量較高的水泥漿體中，減水劑的分散效果就較差，C3A含量低而C3S 含量高的水泥對木鈣類減水劑的適應(yīng)性好。四大礦物組分對萘系和聚羧酸系減水劑的吸附程度有待進(jìn)一步研究。

2.2 水泥中的調(diào)凝石膏

在粉磨水泥熟料時(shí)，一般都摻加一定量的石膏共同磨細(xì)，在此，石膏起調(diào)整水泥凝結(jié)時(shí)間的作用。由于粉磨過程中，磨機(jī)內(nèi)溫度升高，使一部分二水石膏脫去部分結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)榘胨啵蛎撊ト拷Y(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)闊o水石膏。另外，有些水泥廠為節(jié)省生產(chǎn)成本，往往采用硬石膏或工業(yè)副產(chǎn)品石膏代替二水石膏作為水泥調(diào)凝劑，按照有關(guān)水泥標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)時(shí)一般區(qū)別不大。但當(dāng)摻外加劑時(shí)，有時(shí)卻表現(xiàn)出大相徑庭的塑化效果，尤其是以無水石膏作為調(diào)凝劑的水泥遇到木鈣、糖鈣減水劑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不適應(yīng)性，不僅得不到預(yù)期的減水效果，而且往往會(huì)引起流動(dòng)度損失過快甚至異常凝結(jié)。