高固含量聚羧酸减水剂合成与性能研究

【摘要】： 高性能减水剂是配制高性能混凝土的关键技术之一。聚羧酸系减水剂具有高减水率、良好的保坍性和环境友好性等优点,是配制高性能混凝土的首选减水剂,也是当前减水剂技术领域的主要研究热点。 本研究以马来酸酐的“无水酯化”工艺为基础,利用低温高效催化手段,得到具有较高双键活性的不饱和酯化大单体,并采用特殊的氧化还原引发体系在40℃下合成了固含量高达75%的聚羧酸系高性能减水剂(文中用“改进型PC”表示)。 在酯化大单体合成中,利用固体酸催化剂,将马来酸酐(MAn)与不同分子量的甲氧基聚乙二醇(MPEG)按一定比例在低温、无氮气保护的条件下完成无溶剂酯化反应。通过正交设计实验,在分析核磁共振谱图的基础上,确定了最佳的酯化反应条件为:n(MPEG)∶n(MAn)=1∶2.5,催化剂用量为MPEG质量的1.6%,阻聚剂为MAn质量的0.3%,在75℃下反应5 h,可以得到酯化率为95%的大单体PMAn,同时控制双键剩余率为95%。在共聚合成中,结合红外光谱和核磁共振谱图,从引发体系的作用机理入手, 比较了过硫酸铵和氧化还原两种不同引发体系下的共聚工艺,系统研究了引发剂投加方式及用量、反应温度、反应时间及体系浓度等对共聚工艺的影响。在所采用的次硫酸氢钠甲醛-过氧化氢氧化还原引发共聚工艺下,更多的酯化大单体参与了聚合,共聚进行得比较彻底,未聚合的单体残留很少,所合成的改进型PC减水剂的固含量可达到75%。 对采用过硫酸铵引发体系在90℃～95℃下合成的聚羧酸系高性能减水剂(文中用“传统型PC”表示)和改进型PC在泵送混凝土中的应用进行了系统试验,并重点对改进型PC减水剂在混凝土中应用所存在的相容性难题进行了探讨。试验结果显示,改进型PC减水剂在新拌混凝土和易性、硬化混凝土强度等方面相比较传统PC有较强的优势,能有效减少水泥用量,降低混凝土材料成本,提高混凝土的综合性能。改进型PC与不同品牌膨胀剂、水泥的相容性均较好。随着集料中泥(或石粉)含量的增大,掺改进型PC混凝土的单方用水量增大,混凝土经时损失加大,抗压强度逐步降低。紫外-可见分光光谱分析显示,对改进型PC的吸附,泥水泥石粉,与宏观试验的结果相符。 采用离心喷雾干燥工艺对改进型PC减水剂进行粉体制备研究,得到的减水剂粉体固含量达到99%。通过单因素试验研究了干燥室进口风温、进料液温度、进料液固含量对喷雾干燥工艺及粉体性能的影响,确定了喷雾干燥工艺适宜的参数范围为干燥室进口风温180℃~220℃,进料液温度20℃~40℃,进料液固含量20%~60%。采用2%碳酸钙作为抗结剂,喷雾干燥后的粉体分散性和稳定性较好。通过红外光谱分析发现聚羧酸减水剂分子结构中的羰基在干燥过程中发生了部分分解,但减水剂宏观性能仅受有限影响,粉体减水剂的性能与液剂减水剂基本相当。