摘 要 研究了單獨(dú)外加0. 1%的三聚磷酸鈉( STP) ,以及0. 1%的三聚磷酸鈉( STP)分別與0. 01% ～0. 06%的聚丙烯酸鈉( PAANa)或氨基磺酸鹽系高效減水劑(AS)復(fù)合外加時(shí)對(duì)礬土基低水泥澆注料性能的影響。結(jié)果表明:與單獨(dú)加入STP的澆注料相比, STP與PAANa或AS復(fù)合外加的流動(dòng)值均顯著增加,熱處理后的物理性能也均略有提高; STP與PAANa復(fù)合相對(duì)于STP與AS復(fù)合的效果來(lái)說(shuō),在基本配方和加水量相同的情況下,前者的流動(dòng)性比后者好,而烘干和熱處理后,后者的強(qiáng)度略高于前者。
關(guān)鍵詞 復(fù)合外加劑,低水泥澆注料,流動(dòng)值,燒結(jié)性能澆注料各組分的分散是獲得加水量少而流動(dòng)性好的澆注料的必要條件。顆粒的團(tuán)聚將影響澆注料的流動(dòng)性、降低施工體的密度,并導(dǎo)致襯體結(jié)構(gòu)的不均勻,從而影響澆注料的高溫性能。而分散劑能夠有效地阻止團(tuán)聚的形成,降低施工用水量,提高施工性能和高溫使用性能[ 1 ] 。本工作通過(guò)有機(jī)和無(wú)機(jī)復(fù)合的外加劑對(duì)礬土基低水泥澆注料流動(dòng)性的基礎(chǔ)試驗(yàn)[ 2 ] ,研究了復(fù)合外加劑對(duì)礬土基低水泥澆注料性能的影響,并探討了它們的作用機(jī)理。
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1 試驗(yàn)
1. 1 原料
試驗(yàn)用主要原料為高鋁礬土熟料、SiO2 微粉( Elkem ) 、Al2O3 微粉、亞白剛玉粉、鋁酸鹽水泥(CA50) 、藍(lán)晶石粉,其主要化學(xué)組成見(jiàn)表1。外加劑有三聚磷酸鈉( STP) 、聚丙烯酸鈉( PAANa,分子量2000～3000)和氨基磺酸鹽系高效減水劑(AS) 。
1. 2 試驗(yàn)方法
骨料為高鋁礬土熟料顆粒,其臨界粒度為8 mm。細(xì)粉由礬土粉( < 0. 088 mm) 、SiO2 微粉、Al2O3 微粉、亞白剛玉粉、藍(lán)晶石粉、水泥及外加劑組成。骨料與細(xì)粉的質(zhì)量比為65∶35。外加劑的加入形式為:配方中固定無(wú)機(jī)外加劑三聚磷酸鈉( STP) 的加入量為0. 1% ,分別加入0～0. 06% (質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的有機(jī)外加劑:分散劑聚丙烯酸鈉( PAANa)或氨基磺酸鹽系高效減水劑(AS) 。
先按基礎(chǔ)配方配制3 kg混合料,再按試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入不同量的外加劑,在攪拌機(jī)內(nèi)干混30 s,并在30 s內(nèi)勻速加入一定量的水后再攪拌120 s,測(cè)澆注料的流動(dòng)值。流動(dòng)值的測(cè)定采用跳桌法: 試驗(yàn)錐尺寸為<100 /70 mm ×60 mm,移去試驗(yàn)錐后跳動(dòng)30次,以物料3處直徑的平均值作為流動(dòng)值。把測(cè)流動(dòng)值后的澆注料澆注成160 mm ×40 mm ×40 mm的試樣,脫模后養(yǎng)護(hù)。然后按國(guó)標(biāo)測(cè)試樣在烘干(110 ℃ 24 h)和熱處理后(1450 ℃ 3 h)的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。
2 結(jié)果與討論
2. 1 STP與PAANa復(fù)合對(duì)流動(dòng)性和物理性能的影響
STP與PAANa復(fù)合對(duì)澆注料流動(dòng)值的影響見(jiàn)圖1?？梢钥闯? 單一外加STP時(shí),澆注料的流動(dòng)值最低,為105 mm;而STP與PAANa復(fù)合后,澆注料的流動(dòng)值比單一外加STP的明顯增加,且隨著PAANa加入量的增加,澆注料的流動(dòng)值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),當(dāng)聚丙烯酸鈉加入量為0. 03%時(shí),澆注料的流動(dòng)值最大(達(dá)125 mm) 。試驗(yàn)還測(cè)得STP與PAANa復(fù)合外加時(shí),澆注料的初凝時(shí)間為30～45 min,基本滿足施工要求。
圖1 聚丙烯酸鈉( PAANa)加入量對(duì)澆注料流動(dòng)性的影響
Fig. 1 Effe c ts o f PAANa add itio n s o n flow va lue o f ca s ta b le s
圖2示出了STP與PAANa復(fù)合對(duì)澆注料常規(guī)物理性能的影響。由圖2可知,加入STP與PAANa復(fù)合外加劑后,澆注料的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度均有不同程度的提高,澆注料的體積密度增大,顯氣孔率降低,其中以加入0. 03%聚丙烯酸鈉的強(qiáng)度最高,體積密度最大,顯氣孔率最小。
由圖2可認(rèn)為,復(fù)合加入STP 和PAANa比單一加入STP的澆注料的物理性能好,這與其流動(dòng)值的變化規(guī)律(見(jiàn)圖1 ) 一致, 而且在STP 量一定, 加入0. 03% PAANa時(shí),澆注料的流動(dòng)性最好,其顆粒的密實(shí)性也最好,所以其烘干和燒后的物理性能均最好。
2. 2 STP與AS復(fù)合對(duì)流動(dòng)性和物理性能的影響
STP與AS復(fù)合對(duì)澆注料流動(dòng)值的影響見(jiàn)圖3?？梢钥闯? STP和AS復(fù)合對(duì)澆注料流動(dòng)值的影響規(guī)律與STP和PAANa復(fù)合對(duì)澆注料流動(dòng)值的影響規(guī)律(見(jiàn)圖1)基本相同,但前者沒(méi)有后者流動(dòng)性好; STP和AS復(fù)合,AS加入量為0. 03%時(shí),澆注料流動(dòng)值最大,達(dá)120 mm。其初凝時(shí)間也滿足施工要求,試驗(yàn)中還測(cè)得AS相對(duì)于PAANa有一定的緩凝作用。
圖4示出了STP與AS復(fù)合對(duì)澆注料物理性能的影響。由圖4可知:加入復(fù)合外加劑STP和AS的澆注料,烘干和熱處理后的物理性能均比單一加入STP的好,其變化趨勢(shì)與加入復(fù)合外加劑STP和PAANa的相似(見(jiàn)圖2) ,流動(dòng)性好,顆粒密實(shí)性好,所以其體積密度大,顯氣孔率小,抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)度好;而且也以AS加入量為0. 03%的澆注料性能最好。對(duì)比圖2、圖4可知:加復(fù)合外加劑STP和AS的澆注料烘干和熱處理后的物理性能均比加復(fù)合外加劑STP和PAANa的好,但前者的流動(dòng)性沒(méi)有后者好。
2. 3 機(jī)理分析
當(dāng)澆注料體系分散不好時(shí),體系由于橋聯(lián)可形成微弱的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),液體的流動(dòng)在質(zhì)點(diǎn)附近受到干擾,這就要消耗額外的能量,體系的粘度增大,因此其流動(dòng)性變差。而三聚磷酸鈉( STP)是澆注料常用的無(wú)
Ca2 + 、Al3 +等具有強(qiáng)烈的親合作用,因此主要表現(xiàn)為以化學(xué)吸附的方式吸附于膠態(tài)粒子表面,ζ電位增大,形成靜電斥力,防止粒子絮凝,從而達(dá)到分散、穩(wěn)定的目的[ 3 ] 。有機(jī)陰離子基團(tuán),本試驗(yàn)指的是有機(jī)磺酸根離子和聚丙烯酸根離子,具有強(qiáng)烈的表面活性作用,其親油基一端主要以物理吸附的方式吸附于膠態(tài)粒子表面并進(jìn)入固定吸附層( stern層) ,改變膠態(tài)粒子的雙電層中stern面上電位,從而使ζ電位向負(fù)值增長(zhǎng),隨著外加劑量的增加,外加劑在粒子表面吸附達(dá)到飽和,ζ電位變化愈來(lái)愈緩,再增加外加劑( PAANa或AS)的量,就出現(xiàn)外加劑過(guò)剩,復(fù)合外加劑( STP和PAANa或STP和AS)在水中電離出的陽(yáng)離子將增加溶液中的離子強(qiáng)度而使雙電層產(chǎn)生壓縮作用,因此ζ電位將不再朝負(fù)值方向增大,其絕對(duì)值將會(huì)變小,所以存在一個(gè)最佳加入量問(wèn)題。本試驗(yàn)中, PAANa和AS加入量為0. 03%時(shí),澆注料流動(dòng)性最好(見(jiàn)圖1和圖3)。
聚丙烯酸鈉( PAANa)是一種水溶性強(qiáng)的高分子聚電解質(zhì)分散劑,它的分散機(jī)理除了靜電斥力外還有空間位阻作用[ 4 ] 。它是固體顆粒表面吸附了一層帶電較強(qiáng)的聚合物分子層,帶電的聚合物分子層既通過(guò)本身所帶的電荷排斥周圍的粒子,又利用位阻效應(yīng)防止做布朗運(yùn)動(dòng)的顆?？拷? 產(chǎn)生復(fù)合穩(wěn)定作用。
PAANa獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)決定了其負(fù)電荷密度高的特點(diǎn),由于PAANa中有機(jī)烷基的憎水基,使得聚合陰離子能夠物理吸附在離子表面,而其親水基(COOH—)指向水介質(zhì),形成單分子保護(hù)膜。又由于PAANa親水性很強(qiáng),電離度很大,保護(hù)膜與水中的Na+吸引力很小,使得顆粒完全被負(fù)電荷包圍,阻礙了顆粒間相互聚集和重力沉降,使體系的流動(dòng)性提高[ 5 ] 。
氨基磺酸系高效減水劑(AS)是具有獨(dú)特的長(zhǎng)支鏈、短主鏈的分子結(jié)構(gòu),它在水泥顆粒上的吸附屬于齒輪型、引線型,空間位阻大,由于靜電斥力和空間位阻排斥共同的作用,具有良好的分散效果,減水率高,可使水泥粒子穩(wěn)定分散。另外,由于AS吸附在水泥顆粒表面后,其分子中含有大量的羥基( —OH) 、氨基( —NH2 )及醚鍵( —O—) ,使分子的極性很強(qiáng),容易以氫鍵形式與水分子締合,在水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜,阻止水泥顆粒間的直接接觸,起到了潤(rùn)滑作用,從而使AS高效減水劑具有緩凝性以及良好的分散能力[ 6 ] 。所以AS比PAANa 的初凝時(shí)間長(zhǎng),AS具有緩凝性。
STP和PAANa復(fù)合相對(duì)于STP和AS復(fù)合效果來(lái)說(shuō),前者的流動(dòng)性比后者好,這可能由于PAANa的親水性比AS的強(qiáng), STP的水溶性小, PAANa的協(xié)同效應(yīng)比后者好;而在烘干和熱處理后,后者的強(qiáng)度略高于前者,分析其原因可能是分子量在2000 ～3000的PAANa仍有一定的引氣作用,而AS是非引氣樹(shù)脂高效減水劑。
3 結(jié)論
(1)加入STP與PAANa復(fù)合外加劑和STP與AS復(fù)合外加劑比單一加入STP的礬土基低水泥澆注料的流動(dòng)值顯著增加,熱處理后物理性能略有提高。
(2) STP與PAANa復(fù)合相對(duì)于STP與AS復(fù)合效果來(lái)說(shuō),前者流動(dòng)性比后者好,可能由于PAANa的親水性比AS的強(qiáng),而STP的水溶性小, PAANa的協(xié)同效應(yīng)比AS的好;而在烘干和熱處理后,后者的強(qiáng)度略高于前者。
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