摘 要 研究了單獨外加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)復合外加時對礬土基低水泥澆注料性能的影響。結果表明:與單獨加入STP的澆注料相比, STP與PAANa或AS復合外加的流動值均顯著增加,熱處理后的物理性能也均略有提高; STP與PAANa復合相對于STP與AS復合的效果來說,在基本配方和加水量相同的情況下,前者的流動性比后者好,而烘干和熱處理后,后者的強度略高于前者。
關鍵詞 復合外加劑,低水泥澆注料,流動值,燒結性能澆注料各組分的分散是獲得加水量少而流動性好的澆注料的必要條件。顆粒的團聚將影響澆注料的流動性、降低施工體的密度,并導致襯體結構的不均勻,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 ] 。本工作通過有機和無機復合的外加劑對礬土基低水泥澆注料流動性的基礎試驗[ 2 ] ,研究了復合外加劑對礬土基低水泥澆注料性能的影響,并探討了它們的作用機理。
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1 試驗
1. 1 原料
試驗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) 、藍晶石粉,其主要化學組成見表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 試驗方法
骨料為高鋁礬土熟料顆粒,其臨界粒度為8 mm。細粉由礬土粉( < 0. 088 mm) 、SiO2 微粉、Al2O3 微粉、亞白剛玉粉、藍晶石粉、水泥及外加劑組成。骨料與細粉的質量比為65∶35。外加劑的加入形式為:配方中固定無機外加劑三聚磷酸鈉( STP) 的加入量為0. 1% ,分別加入0～0. 06% (質量分數,下同)的有機外加劑:分散劑聚丙烯酸鈉( PAANa)或氨基磺酸鹽系高效減水劑(AS) 。
先按基礎配方配制3 kg混合料,再按試驗設計加入不同量的外加劑,在攪拌機內干混30 s,并在30 s內勻速加入一定量的水后再攪拌120 s,測澆注料的流動值。流動值的測定采用跳桌法: 試驗錐尺寸為<100 /70 mm ×60 mm,移去試驗錐后跳動30次,以物料3處直徑的平均值作為流動值。把測流動值后的澆注料澆注成160 mm ×40 mm ×40 mm的試樣,脫模后養護。然后按國標測試樣在烘干(110 ℃ 24 h)和熱處理后(1450 ℃ 3 h)的體積密度、顯氣孔率、常溫耐壓強度和抗折強度。
2 結果與討論
2. 1 STP與PAANa復合對流動性和物理性能的影響
STP與PAANa復合對澆注料流動值的影響見圖1。可以看出: 單一外加STP時,澆注料的流動值最低,為105 mm;而STP與PAANa復合后,澆注料的流動值比單一外加STP的明顯增加,且隨著PAANa加入量的增加,澆注料的流動值呈現先增加后降低的趨勢,當聚丙烯酸鈉加入量為0. 03%時,澆注料的流動值最大(達125 mm) 。試驗還測得STP與PAANa復合外加時,澆注料的初凝時間為30～45 min,基本滿足施工要求。
圖1 聚丙烯酸鈉( PAANa)加入量對澆注料流動性的影響
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復合對澆注料常規物理性能的影響。由圖2可知,加入STP與PAANa復合外加劑后,澆注料的抗折強度和耐壓強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%聚丙烯酸鈉的強度最高,體積密度最大,顯氣孔率最小。
由圖2可認為,復合加入STP 和PAANa比單一加入STP的澆注料的物理性能好,這與其流動值的變化規律(見圖1 ) 一致, 而且在STP 量一定, 加入0. 03% PAANa時,澆注料的流動性最好,其顆粒的密實性也最好,所以其烘干和燒后的物理性能均最好。
2. 2 STP與AS復合對流動性和物理性能的影響
STP與AS復合對澆注料流動值的影響見圖3。可以看出, STP和AS復合對澆注料流動值的影響規律與STP和PAANa復合對澆注料流動值的影響規律(見圖1)基本相同,但前者沒有后者流動性好; STP和AS復合,AS加入量為0. 03%時,澆注料流動值最大,達120 mm。其初凝時間也滿足施工要求,試驗中還測得AS相對于PAANa有一定的緩凝作用。
圖4示出了STP與AS復合對澆注料物理性能的影響。由圖4可知:加入復合外加劑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,其變化趨勢與加入復合外加劑STP和PAANa的相似(見圖2) ,流動性好,顆粒密實性好,所以其體積密度大,顯氣孔率小,抗折強度和耐壓強度好;而且也以AS加入量為0. 03%的澆注料性能最好。對比圖2、圖4可知:加復合外加劑STP和AS的澆注料烘干和熱處理后的物理性能均比加復合外加劑STP和PAANa的好,但前者的流動性沒有后者好。
2. 3 機理分析
當澆注料體系分散不好時,體系由于橋聯可形成微弱的網狀結構,液體的流動在質點附近受到干擾,這就要消耗額外的能量,體系的粘度增大,因此其流動性變差。而三聚磷酸鈉( STP)是澆注料常用的無
Ca2 + 、Al3 +等具有強烈的親合作用,因此主要表現為以化學吸附的方式吸附于膠態粒子表面,ζ電位增大,形成靜電斥力,防止粒子絮凝,從而達到分散、穩定的目的[ 3 ] 。有機陰離子基團,本試驗指的是有機磺酸根離子和聚丙烯酸根離子,具有強烈的表面活性作用,其親油基一端主要以物理吸附的方式吸附于膠態粒子表面并進入固定吸附層( stern層) ,改變膠態粒子的雙電層中stern面上電位,從而使ζ電位向負值增長,隨著外加劑量的增加,外加劑在粒子表面吸附達到飽和,ζ電位變化愈來愈緩,再增加外加劑( PAANa或AS)的量,就出現外加劑過剩,復合外加劑( STP和PAANa或STP和AS)在水中電離出的陽離子將增加溶液中的離子強度而使雙電層產生壓縮作用,因此ζ電位將不再朝負值方向增大,其絕對值將會變小,所以存在一個最佳加入量問題。本試驗中, PAANa和AS加入量為0. 03%時,澆注料流動性最好(見圖1和圖3)。
聚丙烯酸鈉( PAANa)是一種水溶性強的高分子聚電解質分散劑,它的分散機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的聚合物分子層,帶電的聚合物分子層既通過本身所帶的電荷排斥周圍的粒子,又利用位阻效應防止做布朗運動的顆粒靠近, 產生復合穩定作用。
PAANa獨特的分子結構決定了其負電荷密度高的特點,由于PAANa中有機烷基的憎水基,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,形成單分子保護膜。又由于PAANa親水性很強,電離度很大,保護膜與水中的Na+吸引力很小,使得顆粒完全被負電荷包圍,阻礙了顆粒間相互聚集和重力沉降,使體系的流動性提高[ 5 ] 。
氨基磺酸系高效減水劑(AS)是具有獨特的長支鏈、短主鏈的分子結構,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,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定的溶劑化水膜,阻止水泥顆粒間的直接接觸,起到了潤滑作用,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 的初凝時間長,AS具有緩凝性。
STP和PAANa復合相對于STP和AS復合效果來說,前者的流動性比后者好,這可能由于PAANa的親水性比AS的強, STP的水溶性小, PAANa的協同效應比后者好;而在烘干和熱處理后,后者的強度略高于前者,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是非引氣樹脂高效減水劑。
3 結論
(1)加入STP與PAANa復合外加劑和STP與AS復合外加劑比單一加入STP的礬土基低水泥澆注料的流動值顯著增加,熱處理后物理性能略有提高。
(2) STP與PAANa復合相對于STP與AS復合效果來說,前者流動性比后者好,可能由于PAANa的親水性比AS的強,而STP的水溶性小, PAANa的協同效應比AS的好;而在烘干和熱處理后,后者的強度略高于前者。
參考文獻
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