增强适应性的聚羧酸高效减水剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及外加剂技术领域,特别是涉及增强适应性的聚羧酸高效减水剂及其制备方法。
背景技术
聚羧酸减水剂是一种高性能减水剂,是水泥混凝土运用中的一种水泥分散剂。聚羧酸减水剂广泛应用于公路、桥梁、大坝、隧道、高层建筑等工程。其因绿色环保、不易燃和不易爆的性能,可以安全使用火车和汽车运输。
申请号201711128285.7属于减水剂的技术领域,按重量份数计包括,聚羧酸减水剂10-20份,甲基丙烯酸酯1-4份,叔碳酸酯2-3份,N-酰基肌氨酸0.2-0.3份,羟丙基淀粉醚2-4份,甘油1-3份,十二烷基苯磺酸钠1-3份,水15-25份。
申请号201810271424.X涉及一种聚羧酸减水剂,包括以下重量份的原料:异丁烯醇聚氧乙烯醚95-105份、AEAA15-30份、巯基丙酸0.5-1.1份、双氧水1-2份、丙烯酸10-15份、维生素0.1-0.5份、片碱1-5份和水80-130份,所述AEAA为以磺酸根取代部分羟基而形成的烯醇聚氧乙烯醚。具有适应性强、保坍性能好、强度高及可明显降低综合成本的优点。
申请号201810407109.5涉及早强减水剂技术领域,具体涉及一种聚酯类聚羧酸早强减水剂,所述聚酯类聚羧酸早强减水剂,由如下重量份数的原料制成:甲基烯丙醇聚氧乙烯醚20-60重量份、单(甲基)丙烯酸酯单体15-30重量份、纳米二氧化钛1-8重量份、海泡石纤维1-5重量份、六羟甲基三聚氰胺六甲醚0.5-2重量份、季戊四醇油酸酯0.5-2重量份、不饱和酸0.5-2重量份、烷基有机胺3-12重量份、N-羟甲基丙烯酰胺3-8重量份、亚硝酸钠10-20重量份、消泡剂0.2-2重量份、链转移剂0.1-1重量份、甘油20-30重量份。大幅降低了混凝土的含气量及缩短了混凝土的初凝时间与终凝时间,提高耐久性能。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种增强适应性的聚羧酸高效减水剂,掺量低,具有优异的减水性、保坍性和分散性,应用范围广,适用于各工业民用建筑、水利、港口、桥梁、铁路、公路、交通市政等工程中的预拌、现浇混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土。
本发明公开一种增强适应性的聚羧酸高效减水剂,包括以下原料:减水型母液,保坍型母液,消泡剂,引气剂,葡钠,三乙醇胺,水。
具体地,所述增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液50~200kg,保坍型母液30~100kg,消泡剂0.05~0.2kg,引气剂0.1~0.4kg,葡钠10~30kg,三乙醇胺4~10kg,余量为水。
进一步地,所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的反应装置中,加入质量分数30~40%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1~1.5%,搅拌5~10分钟;在水浴锅中加热至40~50℃开始加入维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和丙烯酸甲酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.3~1%和0.3~1%,丙烯酸:丙烯酸甲酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为(2~3):(0.1~0.15):1;加料结束后,于40~50℃反应0.5~1小时;自然冷却至20~30℃,使用质量分数30~40%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0~6.5,再加入适量水配成固含量40~50%的水溶液。
进一步地,所述丙烯酸甲酯替换为甲基丙烯酸缩水甘油酯。即所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的反应装置中,加入质量分数30~40%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1~1.5%,搅拌5~10分钟;在水浴锅中加热至40~50℃开始加入维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.3~1%和0.3~1%,丙烯酸:甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为(2~3):(0.1~0.15):1;加料结束后,于40~50℃反应0.5~1小时;自然冷却至20~30℃,使用质量分数30~40%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0~6.5,再加入适量水配成固含量40~50%的水溶液。
本发明通过将丙烯酸甲酯替换为甲基丙烯酸缩水甘油酯,在保证聚合的基础上,甲基丙烯酸缩水甘油酯中含有大量的羟基,对水泥的吸附性能会有所增强,同时甲基丙烯酸缩水甘油酯中含有大量的酯基,在水化过程中会发生皂化反应,持续释放羧基,并与水泥发生吸附作用,起到分散作用。
进一步地,所述丙烯酸甲酯替换为β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。即所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的反应装置中,加入质量分数30~40%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1~1.5%,搅拌5~10分钟;在水浴锅中加热至40~50℃开始加入维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.3~1%和0.3~1%,丙烯酸:β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为(2~3):(0.1~0.15):1;加料结束后,于40~50℃反应0.5~1小时;自然冷却至20~30℃,使用质量分数30~40%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0~6.5,再加入适量水配成固含量40~50%的水溶液。
具体地,所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备过程为:
(1)将β-环糊精20~60g分散在水400~800mL中,得到β-环糊精悬浊液;然后在搅拌下,将质量分数10%的氢氧化钠水溶液150~360mL迅速加入β-环糊精悬浊液,搅拌5~10小时,得到混合溶液;接着将对甲基苯磺酰氯10~20g在冰水浴条件下加入混合溶液中,继续搅拌反应5~10小时;将反应液过滤,收集滤液;将滤液用质量分数10%的盐酸调节滤液的pH至6,然后在2~4℃放置12~24小时,有沉淀析出;继续过滤,收集滤饼;将滤饼50~60℃真空干燥,得到固体Ⅰ;
(2)将固体Ⅰ20~30g溶于DMF 30~60mL中,再加入乙醇胺60~150mL,加热至70~80℃,搅拌反应4~10小时;反应结束后,将反应混合物分散在丙酮300~600mL中,有沉淀析出;继续过滤,收集滤饼;将滤饼在40~50℃真空干燥,得到固体Ⅱ;
(3)将固体Ⅱ和对苯二酚5~10mg加入到DMF 20~40mL中,加热至80~90℃,加入质量分数10%的甲基丙烯酸缩水甘油酯的DMF溶液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯与固体Ⅱ的质量比为(2~3):1;滴加完毕,继续在80~90℃反应6~12小时;反应结束后,将反应混合物加入到丙酮200~400mL中,析出沉淀;继续过滤,收集滤饼;将滤饼在40~50℃真空干燥,得到所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。
现有技术中聚羧酸减水剂对水泥的分散能力严重受制与砂石中的黏土杂质,这主要时由于与水泥相比,黏土对聚羧酸分子的吸附能力更强,这导致吸附在水泥颗粒表面的聚羧酸分子数量急剧减少,致使聚羧酸减水剂对水泥的分散性能变差。本发明中通过采用β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯,β-环糊精中空筒状的刚性空间结构可以产生显著的空间位阻效应,阻止其他羧酸分子靠近黏土颗粒,充分体现聚羧酸减水剂利用空间位阻分散水泥的特点,达到聚羧酸减水剂对水泥和黏土分散的高度统一。
作为本发明优选的技术方案之一,所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的反应装置中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:(0.5~0.8),搅拌5~10分钟,得到固含量30~40%的底物水溶液;将丙烯酸与水混合配置成质量分数20~40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数10~20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是(3~4):1,维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.3~1%和0.3~1%;待反应装置中混合物完全溶解后,在水浴锅中加热至40~50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2~0.8%的过氧化氢一次性地加入到反应装置中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在搅拌下于40~50℃聚合反应0.5~1小时;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至20~30℃,再加入适量水配成固含量40~50%的水溶液。
水泥熟料体系中主要有4种矿物,硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙。不同矿物成分具有不同的带电性能,其中硅酸三钙和硅酸二钙的表面显负电,铝酸三钙和铁铝酸四钙的矿物表面显正电。传统的减水型母液呈现阴离子特性,主要吸附在显正电荷的铝酸三钙和铁铝酸四钙上,不能均匀吸附在所有矿物相上,很容易达到饱和吸附量。而且水泥孔体系是高pH值和高离子强度体系,传统的聚羧酸减水母液分子构象容易受到其中无机盐离子尤其是钙离子的影响,发生蜷曲现象,对水泥颗粒的吸附变慢。
阴离子聚羧酸减水剂在水泥表面的吸附由主链上的羧基含量控制,从而影响水泥基材料的流动和流变性能。申请人在减水母液的制备过程中引入阳离子化合物,通过改变主链上阴离子基团提高吸附量,不仅可以吸附在电电荷的铝酸三钙和铁铝酸四钙表面,而且可以提高减水型母液对水泥中显负电的主要矿物硅酸三钙、硅酸二钙和硅酸盐水化产物的吸附,提高减水母液的分散性能和饱和吸附量,提高减水效率。而且有助于减小对盐离子的敏感性,保证其构象的伸展。
作为本发明优选的技术方案之一,所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的反应装置中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:(0.5~0.8),搅拌5~10分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与水混合配置成质量分数20~40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数10~20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是(3~4):1,维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.3~1%和0.3~1%;待反应装置中混合物完全溶解后,在水浴锅中加热至40~50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到反应装置中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在搅拌下于40~50℃聚合反应0.5~1小时;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至20~30℃,用0.1~0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将纳米二氧化硅加去离子水配置成固含量20~30%的二氧化硅水溶液,用0.1~0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将上述两种pH到3的溶液混合,搅拌2~4小时;待搅拌结束后,再加入适量水配成固含量40~50%的水溶液。
现有技术通常在减水剂中直接添加二氧化硅,但是二氧化硅和聚羧酸减水剂之间存在不相容性,另外水泥孔溶液呈现高pH和高离子强度状态,二氧化硅纳米颗粒直接与水泥浆体发生作用,不仅容易自身团聚在一起形成凝胶,而且吸附自由水,降低了水泥浆体流动性。本发明中通过在减水型母液中引入阳离子化合物,将减水型母液中的高分子化合物接枝在二氧化硅纳米颗粒表面,形成核壳结构,提高了二氧化硅纳米颗粒在水泥孔溶液中的分散稳定性,即使未参与反应的减水型母液也可以用来分散水泥颗粒,具有更高的流动度。
进一步地,所述消泡剂为木质素聚醚和/或有机硅聚醚。优选地,所述消泡剂为木质素聚醚和有机硅聚醚以质量比1:1组成的混合物。
进一步地,所述木质素聚醚根据专利申请号201711174083.6制备得到。
本发明的第二目的在于提供一种增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法,包括以下步骤:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、消泡剂、引气剂和水,混合均匀,即得。
本发明增强适应性的聚羧酸高效减水剂为复配型减水剂,掺量低,具有优异的减水性、保坍性和分散性,应用范围广,适用于各工业民用建筑、水利、港口、桥梁、铁路、公路、交通市政等工程中的预拌、现浇混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土,且合成工艺为绿色生产,制备过程不使用甲醛等有毒物质,不会对环境产生有害污染物,符合绿色可持续发展的需求。
具体实施方式
实施例中原料介绍如下:
木质素聚醚,根据专利申请号201711174083.6的实施例1制备得到。
引气剂,济南隆超化工有限公司提供,主要成分为三萜皂苷。
葡钠,即葡萄糖酸钠,CAS号:527-07-1。
三乙醇胺,CAS号:102-71-6。
甲基烯丙基聚氧乙烯醚,即TPEG,分子量2400,江苏海安县国力化工有限公司提供。
维生素C,CAS号:50-81-7。
巯基乙酸,CAS号:68-11-1。
丙烯酸,CAS号:79-10-7。
丙烯酸甲酯,CAS号:96-33-3。
甲基丙烯酸缩水甘油酯,CAS号:106-91-2。
甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,CAS号:5039-78-1。
β-环糊精,CAS号:7585-39-9。
对甲基苯磺酰氯,CAS号:98-59-9。
乙醇胺,CAS号:141-43-5。
对苯二酚,CAS号:123-31-9。
甲基丙烯酸缩水甘油酯,CAS号:106-91-2。
纳米二氧化硅,参考专利申请号201711342426.5的实施例1制备得到,粒径300nm。
有机硅聚醚,参考专利申请号201711331923.5的实施例1制备得到。
实施例1
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,木质素聚醚0.1kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、木质素聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和丙烯酸甲酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:丙烯酸甲酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
实施例2
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,木质素聚醚0.1kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、木质素聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸分别占甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
实施例3
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,木质素聚醚0.1kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、木质素聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备过程为:
(1)将β-环糊精30g分散在水420mL中,得到β-环糊精悬浊液;然后在100转/分钟搅拌下,将质量分数10%的氢氧化钠水溶液180mL迅速加入β-环糊精悬浊液,搅拌8小时,得到混合溶液;接着将对甲基苯磺酰氯11g在冰水浴条件下加入混合溶液中,继续搅拌反应8小时;将反应液使用200目滤布过滤,收集滤液;将滤液用质量分数10%的盐酸调节滤液的pH至6,然后在4℃放置16小时,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼60℃真空干燥12小时,得到固体Ⅰ;
(2)将固体Ⅰ20g溶于DMF 30mL中,再加入乙醇胺60mL,以2℃/分钟加热至75℃,以100转/分钟搅拌反应5小时;反应结束后,将反应混合物分散在丙酮300mL中,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到固体Ⅱ;
(3)将固体Ⅱ和对苯二酚5mg加入到DMF 20mL中,以2℃/分钟加热至80℃,以0.3mL/min的速度滴加质量分数10%的甲基丙烯酸缩水甘油酯的DMF溶液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯与固体Ⅱ的质量比为2:1;滴加完毕,继续在80℃反应7小时;反应结束后,将反应混合物加入到丙酮200mL中,析出沉淀;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸分别占甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
实施例4
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,木质素聚醚0.1kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、木质素聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备过程为:
(1)将β-环糊精30g分散在水420mL中,得到β-环糊精悬浊液;然后在100转/分钟搅拌下,将质量分数10%的氢氧化钠水溶液180mL迅速加入β-环糊精悬浊液,搅拌8小时,得到混合溶液;接着将对甲基苯磺酰氯11g在冰水浴条件下加入混合溶液中,继续搅拌反应8小时;将反应液使用200目滤布过滤,收集滤液;将滤液用质量分数10%的盐酸调节滤液的pH至6,然后在4℃放置16小时,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼60℃真空干燥12小时,得到固体Ⅰ;
(2)将固体Ⅰ20g溶于DMF 30mL中,再加入乙醇胺60mL,以2℃/分钟加热至75℃,以100转/分钟搅拌反应5小时;反应结束后,将反应混合物分散在丙酮300mL中,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到固体Ⅱ;
(3)将固体Ⅱ和对苯二酚5mg加入到DMF 20mL中,以2℃/分钟加热至80℃,以0.3mL/min的速度滴加质量分数10%的甲基丙烯酸缩水甘油酯的DMF溶液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯与固体Ⅱ的质量比为2:1;滴加完毕,继续在80℃反应7小时;反应结束后,将反应混合物加入到丙酮200mL中,析出沉淀;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸分别占甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将纳米二氧化硅加去离子水配置成固含量20%的二氧化硅水溶液,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将上述两种pH到3的溶液混合,在100转/分钟搅拌下搅拌2小时;待搅拌结束后,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
实施例5
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,有机硅聚醚0.1kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、有机硅聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备过程为:
(1)将β-环糊精30g分散在水420mL中,得到β-环糊精悬浊液;然后在100转/分钟搅拌下,将质量分数10%的氢氧化钠水溶液180mL迅速加入β-环糊精悬浊液,搅拌8小时,得到混合溶液;接着将对甲基苯磺酰氯11g在冰水浴条件下加入混合溶液中,继续搅拌反应8小时;将反应液使用200目滤布过滤,收集滤液;将滤液用质量分数10%的盐酸调节滤液的pH至6,然后在4℃放置16小时,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼60℃真空干燥12小时,得到固体Ⅰ;
(2)将固体Ⅰ20g溶于DMF 30mL中,再加入乙醇胺60mL,以2℃/分钟加热至75℃,以100转/分钟搅拌反应5小时;反应结束后,将反应混合物分散在丙酮300mL中,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到固体Ⅱ;
(3)将固体Ⅱ和对苯二酚5mg加入到DMF 20mL中,以2℃/分钟加热至80℃,以0.3mL/min的速度滴加质量分数10%的甲基丙烯酸缩水甘油酯的DMF溶液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯与固体Ⅱ的质量比为2:1;滴加完毕,继续在80℃反应7小时;反应结束后,将反应混合物加入到丙酮200mL中,析出沉淀;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸分别占甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将纳米二氧化硅加去离子水配置成固含量20%的二氧化硅水溶液,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将上述两种pH到3的溶液混合,在100转/分钟搅拌下搅拌2小时;待搅拌结束后,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
实施例6
增强适应性的聚羧酸高效减水剂,在每1000kg增强适应性的聚羧酸高效减水剂中,包括:减水型母液100kg,保坍型母液50kg,木质素聚醚0.05kg,有机硅聚醚0.05kg,引气剂0.2kg,葡钠10kg,三乙醇胺5kg,余量为水。
增强适应性的聚羧酸高效减水剂的制备方法:将减水型母液和保坍型母液混合均匀,得到混合母液;向混合母液中依次加入三乙醇胺、葡钠、木质素聚醚、有机硅聚醚、引气剂和水,混合均匀,即得。
所述保坍型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入质量分数30%的甲基烯丙基聚氧乙烯醚水溶液,接着加入过氧化氢,过氧化氢用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.4%,以100转/分钟搅拌5分钟;在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃开始以0.3mL/min的速度滴加维生素C、巯基乙酸、丙烯酸和β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的混合溶液,其中维生素C和巯基乙酸用量分别为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%,丙烯酸:β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯:甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比为2:0.15:1;滴加结束后,于50℃反应1小时;自然冷却至25℃,使用质量分数30%的氢氧化钠水溶液调节pH至6.0,再加入适量水配成固含量50%的水溶液。
所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯的制备过程为:
(1)将β-环糊精30g分散在水420mL中,得到β-环糊精悬浊液;然后在100转/分钟搅拌下,将质量分数10%的氢氧化钠水溶液180mL迅速加入β-环糊精悬浊液,搅拌8小时,得到混合溶液;接着将对甲基苯磺酰氯11g在冰水浴条件下加入混合溶液中,继续搅拌反应8小时;将反应液使用200目滤布过滤,收集滤液;将滤液用质量分数10%的盐酸调节滤液的pH至6,然后在4℃放置16小时,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼60℃真空干燥12小时,得到固体Ⅰ;
(2)将固体Ⅰ20g溶于DMF 30mL中,再加入乙醇胺60mL,以2℃/分钟加热至75℃,以100转/分钟搅拌反应5小时;反应结束后,将反应混合物分散在丙酮300mL中,有沉淀析出;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到固体Ⅱ;
(3)将固体Ⅱ和对苯二酚5mg加入到DMF 20mL中,以2℃/分钟加热至80℃,以0.3mL/min的速度滴加质量分数10%的甲基丙烯酸缩水甘油酯的DMF溶液,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯与固体Ⅱ的质量比为2:1;滴加完毕,继续在80℃反应7小时;反应结束后,将反应混合物加入到丙酮200mL中,析出沉淀;继续使用200目滤布过滤,收集滤饼;将滤饼在40℃真空干燥24小时,得到所述β-CD改性的甲基丙烯酸缩水甘油酯。
所述减水型母液通过以下方法制备得到:向装有温度计、搅拌器的四口烧瓶中,加入甲基烯丙基聚氧乙烯醚、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和去离子水,甲基烯丙基聚氧乙烯醚和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的摩尔比是1:0.8,以100转/分钟搅拌5分钟,得到固含量30%的底物水溶液;将丙烯酸与去离子水混合配置成质量分数40%的A溶液;将维生素C、巯基乙酸与去离子水混合配置成维生素C质量分数20%的B溶液,备用;其中丙烯酸和甲基烯丙基聚氧乙烯醚的摩尔比是3.6:1,维生素C和巯基乙酸分别占甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%和0.5%;待四口烧瓶中混合物完全溶解后,在水浴锅中以2℃/分钟加热至50℃,将甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量0.2%的过氧化氢一次性地加入到四口烧瓶中,使用蠕动泵同时滴加A溶液、B溶液,在100转/分钟搅拌下于50℃聚合反应30分钟;待聚合反应结束后,将反应物自然冷却至25℃,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将纳米二氧化硅加去离子水配置成固含量20%的二氧化硅水溶液,用0.2mol/L的盐酸调节pH到3;将上述两种pH到3的溶液混合,在100转/分钟搅拌下搅拌2小时;待搅拌结束后,再加入适量去离子水配成固含量40%的水溶液。
测试例1
对实施例1~6增强适应性的聚羧酸高效减水剂的水泥净浆流动性能进行检测。
净浆试验按照GB/T 8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》对所得样品进行水泥净浆流动度测试,水胶比为0.29,减水剂掺量为水泥用量的0.3%,具体测试步骤如下:
①将玻璃板放置在水平位置,用湿布将玻璃板,截锥圆模,搅拌器及搅拌锅均匀擦过,使其表面湿而不带水渍;
②将截锥圆模放在玻璃板的中央,并用湿布覆盖待用;
③称取水泥300g,倒入搅拌锅内;
④加入推荐掺量的外加剂以及87g水,搅拌3分钟;
⑤将拌好的净浆迅速注入截锥圆模内,用刮刀刮平,将截锥圆模按垂直方面提起,同时开启秒表计时,任水泥净浆在玻璃板上流动,至30秒,用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径,取平均值作为水泥净浆流动度。
其中水泥具体采用南京江南小野田水泥有限公司提供的P·Ⅱ52.5级水泥,性能指标如下:
组成 |
CaO |
SiO<sub>2</sub> |
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> |
MgO |
SO<sub>3</sub> |
TiO<sub>2</sub> |
K<sub>2</sub>O |
含量 |
61.30 |
20.8 |
6.34 |
3.07 |
1.03 |
2.29 |
0.29 |
0.85 |
将水泥净浆初始流动度测定完后的水泥净浆收集起来,倒入搅拌锅中,放在恒温恒湿标准箱(温度20℃,湿度95%)内养护,之后每到一定时间,取出搅拌锅放在搅拌机上均匀搅拌2分钟,然后测定流动度,所得的流动度即为水泥净浆经时流动度。
具体测试结果见表1。
表1净浆流动度结果表单位:mm
|
初始 |
30min |
1h |
实施例1 |
274 |
246 |
229 |
实施例2 |
286 |
259 |
251 |
实施例3 |
297 |
273 |
266 |
实施例4 |
307 |
287 |
282 |
实施例5 |
312 |
296 |
290 |
实施例6 |
320 |
310 |
300 |
从表1可以看出,本发明所述聚羧酸减水剂初始分散性能好,而且流动度经时损失小,对水泥具有良好的适应性。实施例2相较于实施例1,聚羧酸减水剂的流动度增加,说明通过将丙烯酸甲酯替换为甲基丙烯酸缩水甘油酯,在保证聚合的基础上,甲基丙烯酸缩水甘油酯中含有大量的羟基,对水泥的吸附性能会有所增强,同时甲基丙烯酸缩水甘油酯中含有大量的酯基,在水化过程中会发生皂化反应,持续释放羧基,并与水泥发生吸附作用,起到分散作用。
测试例2
对实施例1~6增强适应性的聚羧酸高效减水剂的减水率能进行检测。
根据GB8076-2008《混凝土外加剂》进行减水剂减水率的测定,并按照下式进行计算,计算结果精确至0.1%。
WR=W0-W1/W0×100%;
其中,WR表示减水剂减水率,用百分数表示,单位为%;W0为基准组混凝土单位用水量,WR为试验组混凝土单位用水量,W0和WR的单位均为kg/m3。
具体测试结果见表2。
表2减水率结果表
测试例3
对实施例1~6增强适应性的聚羧酸高效减水剂按照GB8076-2008《混凝土外加剂》对试验所得样品进行坍落度损失以及混凝土强度检测。
设计混凝土强度等级为C35的混凝土,所用水泥为南京江南小野田水泥有限公司提供的P·Ⅱ52.5级水泥,粉煤灰为重庆珞璜电厂生产的Ⅱ级粉煤灰(细度0.045mm,方孔筛余15%,烧失量6%,需水比103%),矿粉为重庆钰宏再生资源有限公司生产的S95级矿粉(密度为2.83g/cm3,比表面积为4280cm2/g),细骨料具体采用泰安河砂,细度模数2.6~3.0,符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006的要求;粗骨料具体采用济南产石灰岩碎石,粒径5~20nm,符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006的要求;水使用自来水,符合《混凝土用水标准》JGJ63-2006的要求。
单方混凝土配合比下:水155kg,水泥210kg,粉煤灰90kg,矿粉80kg,河砂760kg,石灰岩碎石1100kg。
表3坍落度损失测试结果表单位:mm
表4抗压强度测测试结果表单位:MPa
|
3d |
7d |
28d |
实施例1 |
48.5 |
58.9 |
68.1 |
实施例2 |
51.9 |
59.5 |
70.3 |
实施例3 |
52.1 |
61.8 |
71.9 |
实施例4 |
52.4 |
62.3 |
72.4 |
实施例5 |
52.9 |
62.9 |
72.9 |
实施例6 |
53.8 |
63.8 |
75.8 |
从表3和表4可知,本发明所述聚羧酸减水剂保坍效果好,各龄期的抗压强度优良,对水泥的适应能力比较好。
测试例4
对实施例1~6增强适应性的聚羧酸高效减水剂黏土混凝土适应性进行检测。
配置强度等级为C30的混凝土的,配比如下:水泥200kg/m3,粉煤灰60kg/m3,矿粉60kg/m3,河沙755kg/m3,石灰岩碎石1085kg/m3,水160kg/m3。
所用水泥为南京江南小野田水泥有限公司提供的P·Ⅱ52.5级水泥,粉煤灰为重庆珞璜电厂生产的Ⅱ级粉煤灰(细度0.045mm,方孔筛余15%,烧失量6%,需水比103%),矿粉为重庆钰宏再生资源有限公司生产的S95级矿粉(密度为2.83g/cm3,比表面积为4280cm2/g),细骨料具体采用泰安河砂,细度模数2.6~3.0,符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006的要求;粗骨料具体采用济南产石灰岩碎石,粒径5~20nm,符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006的要求;水使用自来水,符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006的要求。
在配置混凝土的过程中,向砂石中加入高岭土,加入量设定为3%。同时,调整外加剂的掺量,确保新拌混凝土具有相同的初始坍落度(200±10mm)。
依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》,混凝土早期抗裂试验采用刀口诱导式平板开裂装置(800mm×600mm×100mm),内设7根裂缝诱导器,观察早期开裂情况,每组试验制作2个试件;混凝土收缩试验选用接触法,采用卧式混凝土收缩仪测量混凝土收缩率,试件为100mm×100mm×515mm的棱柱体,每组试验制作3个试件,每个棱柱体两端预埋铜质侧头。
确保新拌混凝土具有相同的坍落度(200mm),混凝土平板试件放置在温度20±1℃,相对湿度60±5%的恒温恒湿室中,试件表面的风速通过风扇调节,设定为5.5m/s。
对试件初裂时间、裂缝最大宽度、裂缝最大长度和单位面积上的总开裂面积进行统计,具体测试结果见表5。
表5黏土混凝土早期开裂性能
从表5可以看出,本发明所述增强适应性的聚羧酸高效减水剂可以抑制黏土混凝土的早期开裂。出现裂纹的原因是黏土的吸水能力比较强,可以吸附自由水,黏土颗粒吸水后膨胀导致体积增大,形成团聚的黏土,在养护期间吸附水将逐渐挥发,诱导膨胀的黏土体积收缩,进而使得混凝土试件内部产生的约束拉应力大于抗拉强度。通过使用本发明的聚羧酸减水剂,通过侧链的空间位阻效应分散黏土混凝土,使得黏土颗粒可以较好地分散在水泥浆体中,避免形成大量团聚,减水剂在混凝土浆体的分散性较好。
应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。