CN109956701A - 一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法。该工作性保持剂由聚羧酸系超塑化剂、HLB值调节剂、分散保持助剂、缓凝剂、消泡剂和去离子水经搅拌混合而成，其中各组分间的质量比为羧酸系超塑化剂（17~28份）：HLB值调节剂（0.02~0.5份）：分散保持助剂（0.01~0.05份）：缓凝剂（0.5~2.5份）：消泡剂（0.02~0.5份）：去离子水（68.9~82.45份）。该工作性保持剂的制备方法为常温常压聚合反应。本发明提出的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂可实现在35℃高温环境下保持混凝土3h无坍落度损失，且不影响混凝土的终凝时间；此外，本发明的制备方法简单，制备过程无污染，原料成本低，对混凝土原材料适应性广。
Description
技术领域
本发明属于混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法。
背景技术
近年来，我国具有自主知识产权的CRTSⅢ板式无砟轨道结构在高速铁路中得以大规模应用，作为其关键结构组成的轨道板下调整层是以自密实混凝土为主的结构。自密实混凝土材料除了对力学性能和耐久性有严格要求外，其对拌合物工作性能更有非常高的要求，其要求自密实混凝土拌合物需具有高的流动性和高的浆骨稳定性、不离析、不泌水，同时还要求其具有良好的流动性保持能力，一般要求自密实混凝土流动性在2h～3h内无损失或损失很小，且满足灌板施工要求。而在实际工程中，自密实混凝土工作性保持问题却是时常困扰施工的难题，特别是在高温季节，时常出现自密实混凝土工作性能保持不足1h，完全无法满足现场施工要求。
研究表明，水泥水化速率与所处环境温度呈正相关性，故环境温度的升高使得混凝土可流动塑性阶段时间缩短。通常，环境温度每上升10℃，混凝土坍落度经时损失率增加10％～40％。为了解决高气温条件下混凝土坍落度经时损失问题，有关学者进行了大量的研究，改善上述问题的方法有：掺入混凝土坍落度保持剂、在混凝土外加剂中掺入缓凝剂、运输过程中二次添加减水剂、减少搅拌站至浇筑地点距离、对混凝土原材料进行降温处理等。其中，在混凝土中加入坍落度保持剂能有效减小混凝土坍落度经时损失，且不会明显延长混凝土的终凝时间。中国专利文献CN 103641959 A、CN 105859980 A等均提出以不饱和聚醚大单体、丙烯酸或甲基丙烯酸以及不饱和酯类为制备聚羧酸超塑化剂的单体，在引发剂、链转移剂等作用下，制备出一种能有效缓解混凝土坍落度损失的问题，并对混凝土其他性能无负面影响，但并没有提出制备的聚羧酸超塑化剂的分子量范围；中国专利文献CN103011674 A提出以聚醚胺、不饱和一元羧酸及其衍生物单体在160±5℃下脱水反应制得大单体母液，然后在60℃温度下与甲基烯丙基聚氧乙烯醚、不饱和一元羧酸及其衍生物单体共聚后加碱中和而成。该方法制备的保坍剂能保持净浆流动度2h后还有较大增长，混凝土坍落度1h基本无损失。但该产品制备过程繁琐，反应温度较高，生产成本高，此外，将其掺加至混凝土中仅能保证1h 坍落度无损失，无法满足自密实混凝土3h坍落度无损失的要求。中国专利文献CN 105271893 A以不饱和聚醚、不饱和含磷酸及不饱和羧酸酯为单体，制备出重均分子量为10000～200000 的保坍型减水剂，虽然提及减水剂的分子量范围，但范围太大，不具有适用性。若减水剂分子量过大或过小，均会严重影响减水剂对新拌水泥颗粒的吸附-分散效果，导致其分散及分散保持性能下降。中国专利文献CN 102515618 A引入交联单体，制备出一种网状结构的减水剂，但其制备成本高，分子结构复杂而不易控制，难以实现工业化，采用常规的不饱和酯类单体可达到相同的性能水平。中国专利文献CN103819627 A使用甲基丙烯基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸乙酯、双氧水、L-抗坏血酸以及疏基乙酸和OP10与硬脂酸为原料，制备出混凝土减水剂，使混凝土具有高坍落度保持性能，并在2h内混凝土坍落度无明显经时变化。其中OP10 与硬脂酸加入反应釜时，由于上述物质可有效降低反应物气-液相的界面张力，在搅拌过程中易引入气泡而使得反应产物不易排出。
因此，根据实际工程要求，制备出一种其成本较低，制备方法简单并能在高温条件下保证新拌混凝土3h无坍落度损失的工作性保持剂，将对此类外加剂的推广起到重要影响。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明提出了一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法。
本发明提出的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：该工作性保持剂由聚羧酸系超塑化剂、HLB值调节剂、分散保持助剂、缓凝剂、消泡剂和去离子水按一定比例混合而成，各组分所占质量比为：
聚羧酸系超塑化剂：17～28份；
HLB值调节剂：0.02～0.5份；
分散保持助剂：0.01～0.05份；
缓凝剂：0.5～2.5份；
消泡剂：0.02～0.05份；
去离子水：68.9～82.45份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)向搅拌釜中依次加入68.9～82.45份去离子水、17～28份聚羧酸系超塑化剂、0.02～0.05 份消泡剂，在150～200转/分钟的转速下搅拌10～20min；
(2)向步骤(1)中的搅拌釜中加入0.02～0.5份HLB值调节剂、0.01～0.05份分散保持助剂、0.5～2.5份缓凝剂，在150～200转/分钟的转速下搅拌10～20min，即可得到本发明的工作性保持剂。
所述的聚羧酸系超塑化剂的结构通式为：
式中R1为H或CH3，
R2为H或含有1～4个碳原子数的烷基，
R3为
R4为CH2-CH2-O-或CH2-CH2-CH2-O-，
M为Na+或K+或
a:b:c:d＝(3.4～3.8)：(0.2～1.0):(0.5～0.8):(0.2～0.5)，
m＝18～61，
n＝21～46。
所述的聚羧酸系超塑化剂为丙烯酸与烷基乙烯基聚氧乙烯醚、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、不饱和可水解单体的共聚物水溶液，质量浓度为20％，粘均分子量为15000～20000。
所述的HLB值调节剂为十二烷基硫酸钠、油酸钾、聚乙二醇单月桂酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯的一种或两种以上组合物。
所述的分散保持剂为羟基乙叉二膦酸、氨基三甲叉膦酸、多氨基多醚基甲叉膦酸中的一种，质量浓度控制为50％。
所述的缓凝剂为海藻酸钠、壳聚糖、透明质酸的一种或两种以上组合物。
所述的消泡剂为聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚中的一种。
本发明提出的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，具有以下有益效果：
1、采用可发生水解的单体共聚而成的聚羧酸系超塑化剂为母液，使得可水解的基团首先“储存”了部分吸附基团，随着拌合时间的推移，“储存”的部分吸附基团重新释放出来，再次吸附到水泥颗粒上，持续起分散作用，有效降低了混凝土坍落度经时损失。HLB值调节剂的引入，能有效调节混凝土浆体气-液相界面张力，增加浆体液膜厚度，为持续释放自由水提供先决条件。分散保持助剂的引入，其中的膦酸基具有很强的络合能力，可与浆体中Ca2+络合，有效减缓了水泥水化速率，对混凝土工作性保持能力起辅助作用。所用的缓凝剂为多羟基化合物，羟基可与浆体中Ca2+络合，减缓水泥水化速率。此外，其独特的分子结构对混凝土有一定的保水保湿的能力，能有效“锁住”混凝土中的自由水，防止在高温下挥发，使得混凝土尤其是自密实混凝土的工作性能得到很大改善。
2、制备方法简单，制备过程无污染，原料成本低，对混凝土原材料适应性广。
具体实施方式
实施例详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在实施例中将会用到下列缩写：
SP-1：3.4mol丙烯酸与0.8mol庚烯基丁二酸酐与0.6mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚与0.3mol 甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯共聚物，粘均分子量为16548，中和剂为氢氧化钠。
SP-2：3.7mol甲基丙烯酸与0.6mol丙烯酸羟丁酯与0.5mol烯丙基聚氧丙烯醚与0.4mol 甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯共聚物，粘均分子量为18650，中和剂为三乙醇胺。
SP-3：3.5mol丙烯酸与0.9mol 2-丙烯酰胺-2-甲基丙膦酸与0.7mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚与0.2mol甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯共聚物，粘均分子量为19580，中和剂为三异丙醇胺。
具体实施例1
向搅拌釜加入去离子水76.06kg，加入22kgSP-1和20g有机硅类消泡剂，搅拌10min，将 25g十二烷基硫酸钠、10g聚乙二醇单月桂酸酯、10g羟基乙叉二膦酸、1.5kg壳聚糖、0.4kg 海藻酸钠加入其中，搅拌溶解，得到无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂产品TKSP-1。
具体实施例2
向搅拌釜加入去离子水78.09kg，加入20kgSP-2和35g聚醚类消泡剂，搅拌10min，将 25g十二烷基硫酸钠、10g聚乙二醇单月桂酸酯、20g油酸钾、25g氨基三甲叉膦酸、1.8kg壳聚糖加入其中，搅拌溶解，得到无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂产品TKSP-2。
具体实施例3
向搅拌釜加入去离子水72.58kg，加入25kgSP-1和30g有机硅类消泡剂，搅拌10min，将 35g十二烷基硫酸钠、15g失水山梨醇单硬脂酸酯、40g多氨基多醚基甲叉膦酸、2.0kg壳聚糖、0.3kg透明质酸加入其中，搅拌溶解，得到无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂产品 TKSP-3。
实施效果：
净浆试验：试验测定了同掺量下各实施例的水泥净浆流动度。试验按照GB/T8077-2012 《混凝土外加剂匀质性试验方法》执行，其中，W/C＝0.29，掺量为折固掺量。具体试验结果见表1。
表1不同测试样品的水泥净浆流动度及经时流动度测试结果
从表1数据可以看出，配制的工作性保持剂掺加至新拌水泥浆体中均可增加新拌水泥净浆经时扩展度，即“发生过流化现象”。其中掺加TKSP-2的水泥净浆初始流动度最小，TKSP-1 次之，TKSP-3最大；三种测试样品对水泥净浆经时损失相差不大。此外，掺加所配制的工作性保持剂对上述两种水泥净浆初始流动度及经时流动度影响相差不大，对上述两种水泥有较好的适应性。
混凝土试验：试验测定了同掺量下各实施例的混凝土相关性能测试。其中，新拌混凝土性能按照GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》执行。混凝土抗压强度强度按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》执行。其中水泥为金隅P·O42.5，粉煤灰为I级灰，矿粉为S95级，细骨料为细度模数2.6的河砂，粗骨料为5-20mm连续级配碎石，混凝土工作性保持剂掺量为0.2％，混凝土配合比见表2，具体试验结果见表3。
表2混凝土试验配合比单位：kg
| 水泥 | 粉煤灰 | 矿粉 | 砂 | 石子 | 水 |
| 300 | 70 | 30 | 895 | 970 | 135 |
表3混凝土相关试验测试结结果
从表3数据可以看出，掺加测试样品至混凝土中，混凝土拌合物坍落度3h内无损失，还有轻微反增长。其中掺加TKSP-2的新拌混凝土初始坍落度最小，TKSP-1次之，TKSP-3最大；掺加三种测试样品的新拌混凝土含气量及硬化混凝土养护龄期为3d、7d、28d、56d的抗压强度无明显规律。说明上述三种试样对混凝土含气量、抗压强度无明显影响。
具体实施例4
一种无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂制备方法，该工作性保持剂由以下质量比的原料组成：
聚羧酸系超塑化剂：17份；
HLB值调节剂：0.02份；
分散保持助剂：0.01份；
缓凝剂：0.5份；
消泡剂：0.02份；
去离子水：82.45份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)向搅拌釜中依次加入82.45份去离子水、17份聚羧酸系超塑化剂、0.02份消泡剂，在150转/分钟的转速下搅拌10min；
(2)向步骤(1)中的搅拌釜中加入0.02份HLB值调节剂、0.01份分散保持助剂、0.5份缓凝剂，在150转/分钟的转速下搅拌10min，即可得到混凝土用工作性保持剂。
作为本发明中一种无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂的制备方法的一种优选方案：所述的聚羧酸系超塑化剂的结构通式为：
式中R1为H，
R2为C4H9，
R3为
R4为CH2-CH2-O-，
M为K+，
a:b:c:d＝3.6:0.5:0.6:0.3，
m＝48，
n＝32。
本实施例中，HLB值调节剂为十二烷基硫酸钠和失水山梨酸单硬脂酸酯。
本实施例中，超塑化剂的质量浓度为20％，粘均分子量为16500。
本实施例中，分散保持助剂为羟基乙叉二膦酸。
进一步地，分散保持助剂的质量浓度为50％。
本实施例中，缓凝剂为壳聚糖。
本实施例中，消泡剂为聚二甲基硅氧烷。
具体实施例5
一种无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂制备方法，该工作性保持剂由以下质量比的原料组成：
聚羧酸系超塑化剂：28份；
HLB值调节剂：0.5份；
分散保持助剂：0.05份；
缓凝剂：2.5份；
消泡剂：0.05份；
去离子水：68.9份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)向搅拌釜中依次加入68.9份去离子水、28份聚羧酸系超塑化剂、0.05份消泡剂，在150转/分钟的转速下搅拌10min；
(2)向步骤(1)中的搅拌釜中加入0.5份HLB值调节剂、0.05份分散保持助剂、2.5份缓凝剂，在150转/分钟的转速下搅拌10min，即可得到混凝土用工作性保持剂。
作为本发明中一种无砟轨道自密实混凝土用工作性保持剂的制备方法的一种优选方案：所述的聚羧酸系超塑化剂的结构通式为：
式中R1为CH3，
R2为H，
R3为
R4为CH2-CH2-O-，
M为
a:b:c:d＝3.5:0.8:0.7:0.4，
m＝45，
n＝44。
本实施例中，HLB值调节剂为十二烷基硫酸钠和油酸钾。
本实施例中，超塑化剂的质量浓度为20％，粘均分子量为19820。
本实施例中，分散保持助剂为多氨基多醚基甲叉膦酸。
进一步地，分散保持助剂的质量浓度为50％。
本实施例中，缓凝剂为壳聚糖和透明质酸。
本实施例中，消泡剂为聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚。
以上对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于其由聚羧酸系超塑化剂、HLB值调节剂、分散保持助剂、缓凝剂、消泡剂和去离子水按一定比例混合而成，各组分所占质量比为：
聚羧酸系超塑化剂：17～28份；
HLB值调节剂：0.02～0.5份；
分散保持助剂：0.01～0.05份；
缓凝剂：0.5～2.5份；
消泡剂：0.02～0.05份；
去离子水：68.9～82.45份；
其制备方法包括以下步骤：
(1)向搅拌釜中依次加入68.9～82.45份去离子水、17～28份聚羧酸系超塑化剂、0.02～0.05份消泡剂，在150～200转/分钟的转速下搅拌10～20min；
(2)向步骤(1)中的搅拌釜中加入0.02～0.5份HLB值调节剂、0.01～0.05份分散保持助剂、0.5～2.5份缓凝剂，在150～200转/分钟的转速下搅拌10～20min，即可得到本发明的工作性保持剂。
2.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的聚羧酸系超塑化剂的结构通式为：
式中R1为H或CH3，
R2为H或含有1～4个碳原子数的烷基，
R3为
R4为CH2-CH2-O-或CH2-CH2-CH2-O-，
M为Na+或K+或
a:b:c:d＝(3.4～3.8):(0.2～1.0):(0.5～0.8):(0.2～0.5)，
m＝18～61，
n＝21～46。
3.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的聚羧酸系超塑化剂为丙烯酸与烷基乙烯基聚氧乙烯醚、甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯、不饱和可水解单体的共聚物水溶液，质量浓度为20％，粘均分子量为15000～20000。
4.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的HLB值调节剂为十二烷基硫酸钠、油酸钾、聚乙二醇单月桂酸酯、失水山梨醇单硬脂酸酯的一种或两种以上组合物。
5.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的分散保持剂为羟基乙叉二膦酸、氨基三甲叉膦酸、多氨基多醚基甲叉膦酸中的一种，质量浓度控制为50％。
6.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的缓凝剂为海藻酸钠、壳聚糖、透明质酸的一种或两种以上组合物。
7.据权利要求1所述的一种无砟轨道自密实混凝土工作性保持剂及其制备方法，其特征在于：所述的消泡剂为聚二甲基硅氧烷、聚氧丙烯聚氧乙烯甘油醚中的一种。
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