摘 要 研究了单独外加0. 1%的三聚磷酸钠( STP) ,以及0. 1%的三聚磷酸钠( STP)分别与0. 01% ～0. 06%的聚丙烯酸钠( PAANa)或氨基磺酸盐系高效减水剂(AS)复合外加时对矾土基低水泥浇注料性能的影响。结果表明:与单独加入STP的浇注料相比, STP与PAANa或AS复合外加的流动值均显著增加,热处理后的物理性能也均略有提高; STP与PAANa复合相对于STP与AS复合的效果来说,在基本配方和加水量相同的情况下,前者的流动性比后者好,而烘干和热处理后,后者的强度略高于前者。
关键词 复合外加剂,低水泥浇注料,流动值,烧结性能浇注料各组分的分散是获得加水量少而流动性好的浇注料的必要条件。颗粒的团聚将影响浇注料的流动性、降低施工体的密度,并导致衬体结构的不均匀,从而影响浇注料的高温性能。而分散剂能够有效地阻止团聚的形成,降低施工用水量,提高施工性能和高温使用性能[ 1 ] 。本工作通过有机和无机复合的外加剂对矾土基低水泥浇注料流动性的基础试验[ 2 ] ,研究了复合外加剂对矾土基低水泥浇注料性能的影响,并探讨了它们的作用机理。
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1 试验
1. 1 原料
试验用主要原料为高铝矾土熟料、SiO2 微粉( Elkem ) 、Al2O3 微粉、亚白刚玉粉、铝酸盐水泥(CA50) 、蓝晶石粉,其主要化学组成见表1。外加剂有三聚磷酸钠( STP) 、聚丙烯酸钠( PAANa,分子量2000～3000)和氨基磺酸盐系高效减水剂(AS) 。
1. 2 试验方法
骨料为高铝矾土熟料颗粒,其临界粒度为8 mm。细粉由矾土粉( < 0. 088 mm) 、SiO2 微粉、Al2O3 微粉、亚白刚玉粉、蓝晶石粉、水泥及外加剂组成。骨料与细粉的质量比为65∶35。外加剂的加入形式为:配方中固定无机外加剂三聚磷酸钠( STP) 的加入量为0. 1% ,分别加入0～0. 06% (质量分数,下同)的有机外加剂:分散剂聚丙烯酸钠( PAANa)或氨基磺酸盐系高效减水剂(AS) 。
先按基础配方配制3 kg混合料,再按试验设计加入不同量的外加剂,在搅拌机内干混30 s,并在30 s内匀速加入一定量的水后再搅拌120 s,测浇注料的流动值。流动值的测定采用跳桌法: 试验锥尺寸为<100 /70 mm ×60 mm,移去试验锥后跳动30次,以物料3处直径的平均值作为流动值。把测流动值后的浇注料浇注成160 mm ×40 mm ×40 mm的试样,脱模后养护。然后按国标测试样在烘干(110 ℃ 24 h)和热处理后(1450 ℃ 3 h)的体积密度、显气孔率、常温耐压强度和抗折强度。
2 结果与讨论
2. 1 STP与PAANa复合对流动性和物理性能的影响
STP与PAANa复合对浇注料流动值的影响见图1。可以看出: 单一外加STP时,浇注料的流动值最低,为105 mm;而STP与PAANa复合后,浇注料的流动值比单一外加STP的明显增加,且随着PAANa加入量的增加,浇注料的流动值呈现先增加后降低的趋势,当聚丙烯酸钠加入量为0. 03%时,浇注料的流动值最大(达125 mm) 。试验还测得STP与PAANa复合外加时,浇注料的初凝时间为30～45 min,基本满足施工要求。
图1 聚丙烯酸钠( PAANa)加入量对浇注料流动性的影响
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
图2示出了STP与PAANa复合对浇注料常规物理性能的影响。由图2可知,加入STP与PAANa复合外加剂后,浇注料的抗折强度和耐压强度均有不同程度的提高,浇注料的体积密度增大,显气孔率降低,其中以加入0. 03%聚丙烯酸钠的强度最高,体积密度最大,显气孔率最小。
由图2可认为,复合加入STP 和PAANa比单一加入STP的浇注料的物理性能好,这与其流动值的变化规律(见图1 ) 一致, 而且在STP 量一定, 加入0. 03% PAANa时,浇注料的流动性最好,其颗粒的密实性也最好,所以其烘干和烧后的物理性能均最好。
2. 2 STP与AS复合对流动性和物理性能的影响
STP与AS复合对浇注料流动值的影响见图3。可以看出, STP和AS复合对浇注料流动值的影响规律与STP和PAANa复合对浇注料流动值的影响规律(见图1)基本相同,但前者没有后者流动性好; STP和AS复合,AS加入量为0. 03%时,浇注料流动值最大,达120 mm。其初凝时间也满足施工要求,试验中还测得AS相对于PAANa有一定的缓凝作用。
图4示出了STP与AS复合对浇注料物理性能的影响。由图4可知:加入复合外加剂STP和AS的浇注料,烘干和热处理后的物理性能均比单一加入STP的好,其变化趋势与加入复合外加剂STP和PAANa的相似(见图2) ,流动性好,颗粒密实性好,所以其体积密度大,显气孔率小,抗折强度和耐压强度好;而且也以AS加入量为0. 03%的浇注料性能最好。对比图2、图4可知:加复合外加剂STP和AS的浇注料烘干和热处理后的物理性能均比加复合外加剂STP和PAANa的好,但前者的流动性没有后者好。
2. 3 机理分析
当浇注料体系分散不好时,体系由于桥联可形成微弱的网状结构,液体的流动在质点附近受到干扰,这就要消耗额外的能量,体系的粘度增大,因此其流动性变差。而三聚磷酸钠( STP)是浇注料常用的无
Ca2 + 、Al3 +等具有强烈的亲合作用,因此主要表现为以化学吸附的方式吸附于胶态粒子表面,ζ电位增大,形成静电斥力,防止粒子絮凝,从而达到分散、稳定的目的[ 3 ] 。有机阴离子基团,本试验指的是有机磺酸根离子和聚丙烯酸根离子,具有强烈的表面活性作用,其亲油基一端主要以物理吸附的方式吸附于胶态粒子表面并进入固定吸附层( stern层) ,改变胶态粒子的双电层中stern面上电位,从而使ζ电位向负值增长,随着外加剂量的增加,外加剂在粒子表面吸附达到饱和,ζ电位变化愈来愈缓,再增加外加剂( PAANa或AS)的量,就出现外加剂过剩,复合外加剂( STP和PAANa或STP和AS)在水中电离出的阳离子将增加溶液中的离子强度而使双电层产生压缩作用,因此ζ电位将不再朝负值方向增大,其绝对值将会变小,所以存在一个最佳加入量问题。本试验中, PAANa和AS加入量为0. 03%时,浇注料流动性最好(见图1和图3)。
聚丙烯酸钠( PAANa)是一种水溶性强的高分子聚电解质分散剂,它的分散机理除了静电斥力外还有空间位阻作用[ 4 ] 。它是固体颗粒表面吸附了一层带电较强的聚合物分子层,带电的聚合物分子层既通过本身所带的电荷排斥周围的粒子,又利用位阻效应防止做布朗运动的颗粒靠近, 产生复合稳定作用。
PAANa独特的分子结构决定了其负电荷密度高的特点,由于PAANa中有机烷基的憎水基,使得聚合阴离子能够物理吸附在离子表面,而其亲水基(COOH—)指向水介质,形成单分子保护膜。又由于PAANa亲水性很强,电离度很大,保护膜与水中的Na+吸引力很小,使得颗粒完全被负电荷包围,阻碍了颗粒间相互聚集和重力沉降,使体系的流动性提高[ 5 ] 。
氨基磺酸系高效减水剂(AS)是具有独特的长支链、短主链的分子结构,它在水泥颗粒上的吸附属于齿轮型、引线型,空间位阻大,由于静电斥力和空间位阻排斥共同的作用,具有良好的分散效果,减水率高,可使水泥粒子稳定分散。另外,由于AS吸附在水泥颗粒表面后,其分子中含有大量的羟基( —OH) 、氨基( —NH2 )及醚键( —O—) ,使分子的极性很强,容易以氢键形式与水分子缔合,在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜,阻止水泥颗粒间的直接接触,起到了润滑作用,从而使AS高效减水剂具有缓凝性以及良好的分散能力[ 6 ] 。所以AS比PAANa 的初凝时间长,AS具有缓凝性。
STP和PAANa复合相对于STP和AS复合效果来说,前者的流动性比后者好,这可能由于PAANa的亲水性比AS的强, STP的水溶性小, PAANa的协同效应比后者好;而在烘干和热处理后,后者的强度略高于前者,分析其原因可能是分子量在2000 ～3000的PAANa仍有一定的引气作用,而AS是非引气树脂高效减水剂。
3 结论
(1)加入STP与PAANa复合外加剂和STP与AS复合外加剂比单一加入STP的矾土基低水泥浇注料的流动值显著增加,热处理后物理性能略有提高。
(2) STP与PAANa复合相对于STP与AS复合效果来说,前者流动性比后者好,可能由于PAANa的亲水性比AS的强,而STP的水溶性小, PAANa的协同效应比AS的好;而在烘干和热处理后,后者的强度略高于前者。
参考文献
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