高分子水泥混凝土添加劑的合成、機理及應用研究.pdf

1、在我國基礎建設迅速發(fā)展，大力開展節(jié)能減排，建設綠色資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會的條件下，水泥助磨劑和混凝土減水劑技術迅速發(fā)展。在水泥工業(yè)生產(chǎn)中，水泥粉磨是能耗最高的過程，大約有97％的能量消耗在無效的熱能中而白白浪費掉，而水泥助磨劑在節(jié)能降耗方面效果顯著。但是在應用過程中發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)水泥助磨劑的產(chǎn)品質(zhì)量的不穩(wěn)定問題，與混凝土材料的相容性問題以及混凝土耐久性問題沒有得到很好的解決，也缺乏充分的研究。此外，由于地區(qū)差異和天然材料的不斷匱乏，混凝

2、土集料砂石中的高含泥量和高石粉含量嚴重限制聚羧酸減水劑的性能發(fā)揮，給混凝土施工帶來極大困難和安全隱患。一直以來，水泥助磨劑和混凝土減水劑被分開獨立研究，造成的弊端被逐漸顯現(xiàn)出來。因此，開發(fā)一種高分子水泥混凝土添加劑(PCCA)，使其同時具備良好的水泥助磨性能與優(yōu)異的“抗泥”效果，有助于從根本上解決傳統(tǒng)水泥助磨劑和聚羧酸減水劑存在的問題。
　　本論文的主要研究內(nèi)容:
　　本文以丙烯酰胺、馬來酸酐、乙烯基聚醚（分子量:380，6

3、00，1200，2400）為聚合單體，巰基乙酸為鏈轉(zhuǎn)移劑，雙氧水和維生素C為引發(fā)劑（摩爾比為4.5∶1），研究了反應溫度、反應時間、單體配比及引發(fā)劑用量對PCCA助磨效果的影響。PCCA的最佳合成工藝條件為:反應溫度為30～35℃，反應時間為3.5h，引發(fā)劑用量為20％，馬來酸酐用量為20％，丙烯酰胺的用量為9％。為研究分子結構變化對性能的影響，通過分子結構設計，合成出不同基團構成和相對分子量大小的PCCA(PGA-1～PGA-7)，并

4、提出PCCA的自由基聚合機理。
　　本文選擇粉磨水泥的比表面積，粒度分布和流動性作為PCCA水泥助磨效果的評價指標。研究了PCCA分子結構，摻量，粉磨時間對水泥助磨效果的影響。PCCA表現(xiàn)出優(yōu)異的助磨效果，粉磨水泥的團聚現(xiàn)象消失，流動性增加，顆粒粒度分布變窄以及水泥比表面積明顯增大。研究發(fā)現(xiàn):PCCA分子結構中陰離子基團和非離子基團摩爾比存在最佳點，非離子的支鏈長度越短，相對分子質(zhì)量越小，PCCA的助磨效果越好。從實驗結果推理出P

5、CCA的水泥助磨機理為化學吸附，加速開裂，電荷消除和表面潤滑共同作用的結果。
　　本文通過測試水泥凝結時間、水化放熱速率、水化初期電導率、水化產(chǎn)物變化及水泥膠砂強度，研究PCCA對水泥水化的影響。結果表明:PCCA延長了水泥的初凝和終凝時間。XRD、SEM和MIP測試表明:PCCA促進水泥后期水化產(chǎn)物的生成，明顯降低水泥石微觀孔隙中有害孔和少害孔比例。隨著PCCA分子結構中陰離子基團比例的增加，水泥凈漿流動度先增加后減小，水泥膠砂

6、強度逐漸增大。在混凝土減水率測試中，脂肪族減水劑和萘系減水劑在1.4％摻量下，減水率同為16％;聚羧酸減水劑和PCCA在0.5％摻量下減水率分別為31.5％和16.5％。
　　在PCCA的抗泥性混凝土實驗中發(fā)現(xiàn):PCCA對高嶺土和粘土有很好的“屏蔽”作用。PCCA以吸附-插入-分散-包裹等不同方式改善了混凝土的活易性和保塌性。在粘土含量為6％的河沙中摻入不同分子量大小的PCCA，研究發(fā)現(xiàn)分子量最小的PCCA對粘土的“屏蔽”效果最佳

7、。在集料中加入6％的粘土和石粉的混凝土實驗中發(fā)現(xiàn)，與單獨摻入聚羧酸減水劑的空白樣相比，摻入PCCA后，混凝土的初始坍落度和擴展度增大，特別是1h混凝土流動性損失很小，PCCA表現(xiàn)出非常優(yōu)異的保坍性能，明顯優(yōu)于相同條件下市售的抗泥劑丙三醇和聚乙二醇(300)。同時研究發(fā)現(xiàn)PCCA的加入方式對其抗泥效果影響較大，PCCA與聚羧酸減水劑同時摻入時，混凝土的初始流動性最好，后于聚羧酸減水劑摻入時，混凝土的流動性保持性能最好。
　　從混凝土

8、抗凍融、抗硫酸鹽侵蝕和抗氯離子滲透三個方面研究了PCCA對混凝土耐久性的影響?？箖鋈诮Y果表明，由于PCCA的引氣作用，摻PCCA混凝土試件表現(xiàn)出更好的抗凍融破壞能力。抗硫酸鹽侵蝕研究表明，隨著PCCA摻量的增加，混凝土試件的質(zhì)量損失逐漸降低，動彈性模量逐漸增大。采用電通量法測試混凝土試件的電通量表明PGA-1能提高混凝土的抗氯離子滲透能力。
　　此外，從水泥標準稠度用水量、水泥凝結時間、凈漿流動度、混凝土初始和經(jīng)時流動性、混凝土強

9、度和混凝土微觀結構分析等角度系統(tǒng)研究了PCCA與木聚脂肪族減水劑（由紙漿黑液與脂肪族減水劑接枝共聚制備）、脂肪族減水劑、萘系減水劑和聚羧酸減水劑的相容性。實驗結果表明，在與各混凝土外加劑復摻使用時，PCCA能夠優(yōu)先吸附在水泥膠體表面，降低了水泥標準稠度用水量，延長了水泥凝結時間，改善了各減水劑的應用效果，表現(xiàn)出良好的相容性。
　　本論文的主要創(chuàng)新成果:
　　本文選擇高分子水泥混凝土添加劑為研究課題，開發(fā)出一種集水泥助磨劑和混

10、凝土減水劑功能為一體的高分子水泥混凝土添加劑，確定了PCCA的合成工藝，在性能上實現(xiàn)優(yōu)異的水泥助磨效果和在高含泥量混凝土中的良好的抗泥效果;實現(xiàn)依據(jù)產(chǎn)品性能要求進行PCCA的分子結構設計并揭示出自由基聚合機理;明確了高分子聚合物中分子量、功能基團和支鏈長度與水泥助磨效果的對應關系，提出PCCA的水泥助磨機理為化學吸附，加速開裂，電荷消除和表面潤滑共同作用的結果;通過研究PCCA分子結構對高含泥量/含石粉量混凝土性能的影響，提出PCCA的