本發明屬于混凝土外加劑,具體涉及一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑及制備方法。
背景技術:
1、隨著建筑科技水平的發展,建筑物對混凝土的各項要求不斷提升,促進了混凝土在土木工程建設領域中的應用。硅灰又稱硅粉,是電弧爐生產硅金屬或硅鐵合金時的副產品,其主要成分是無定形二氧化硅,含量一般為85%~96%。硅灰顆粒很細,平均粒徑為0.1~1μm,約為普通水泥顆粒的1/100。因為以上特性,硅灰得以成為一種高活性的火山灰質礦物摻合料,常用于超高性能混凝土(uhpc)中。
2、硅灰在混凝土中主要有兩個效應,一個是填充效應,硬化前能夠填充水泥間隙,硬化后能夠填充水化產物間的毛細孔隙;另一個是火山灰效應,硅灰能與水化產物之一的氫氧化鈣反應,生成水化硅酸鈣(csh)凝膠,進一步密實混凝土,最后硅灰可以為水化產物提供成核位點,進一步提高水化水泥和混凝土的性能。在水泥混凝土中摻入硅灰,可以提高混凝土的強度、抗滲性、抗凍性和耐化學腐蝕性能,也能抑制或減少堿骨料反應。
3、由于硅灰的顆粒過細,密度極低,呈非常松散的堆積狀態,使得原狀硅灰的包裝、運輸都有很大的困難,使用中也存在易飄散,易團聚等問題。目前的處理方式是將原狀硅灰進行加密處理,加工后的密度可提高至900kg/m3,但加密硅灰其在應用于實際生產中也會帶來一些問題:
4、(1)火山灰活性高,表面能高特點導致硅灰在uhpc中結塊嚴重;
5、(2)在低水膠比的uhpc中,水泥與硅灰顆粒更容易相互吸引,自發閉合,導致uhpc具有較低的流動性和較高的粘度;這一問題給uhpc的混煉、泵送、纖維分布和成型施工帶來了很大的困難;
6、(3)加密硅灰較原狀硅灰更高程度的團聚問題,這種團聚體在常規水泥混凝土制備工藝過程中,往往難以被有效分散;未得到充分分散的硅灰團聚體往往吸附水和外加劑,導致混凝土工作性損失增大與強度變化不穩定。
7、從上述問題可以看出,硅灰在混凝土中的分散均勻性是產生一系列問題的主要原因,為解決此問題開展了大量的研究。cn112209646a公開了一種高性能預分散硅灰漿及制備方法,該發明采用了多組分的有機物分散劑、無機物早強分散劑、界面張力調節劑與氣泡抑制劑對加密硅灰進行有效的分散,其分散效果較好,但僅是將多組分表面活性劑匯聚在一起,并未得到硅灰與分散劑之間的選擇性與相關機理。
8、硅灰顆粒團聚、難以在混凝土體系中分散,從而不能充分發揮硅灰各項水化效應,因此增加加密硅灰的分散性就變得尤為重要,故硅灰在混凝土中的有效分散成為現下亟待解決的問題。現下基于硅灰與分散劑機理的研究較少,本發明通過不同有機物官能團復合,旨在得到一種分散與穩定性能優異的硅灰復合表面活性劑。
技術實現思路
1、本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足而提供一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑及制備方法,本發明提供的復合表面活性劑能夠提高硅灰的分散性能與穩定性能。
2、為實現上述目的,本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
3、一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑,各組分及其所占質量份數包括:丙烯酸28~30份、自制聚醚類表面活性劑10~12份、自制疏水烷氧基硅烷6~8份、疏基乙酸0.5~1.0份、過硫酸銨0.3~0.7份、硫酸亞鐵0.05~0.15份、naoh?1~2份、穩定劑8~12份,去離子水215~275份。
4、上述一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑的制備方法,包括如下步驟:
5、(1)配制溶液a與溶液b:溶液a由丙烯酸28~30份、疏基乙酸0.5~1.0份與40~50份去離子水配制而成;溶液b由過硫酸銨0.3~0.7份與30~40份去離子水配制而成;
6、(2)將naoh?1~2份加入到15~20份的去離子水中,攪拌均勻得到naoh水溶液;
7、(3)在帶有溫度計、攪拌器與冷凝管的反應容器中,依次加入自制聚醚類表面活性劑10~12份、硫酸亞鐵0.05~0.15份、自制疏水烷氧基硅烷6~8份和35~45份的去離子水,升高溫度至85~95℃并維持,其中升溫速率為5~7℃/min;
8、(4)將配制好的溶液a與溶液b分別用蠕動泵以恒定速度送入所述反應容器,溶液a泵入速度為0.45~0.54份/min,溶液b泵入速度為0.19~0.22份/min,再在85~95℃下保持封閉狀態攪拌4.5~5.5h;
9、(5)反應完成后,將產物用所述naoh水溶液中和,調節ph值為7±1,隨后靜置冷卻至30~40℃并保持;
10、(6)加入穩定劑8~12份與95~120份去離子水,30~40℃溫度下保持攪拌0.5~1h,隨后降溫至室溫即得所述用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑。
11、上述方案中,按質量份數計,所述自制聚醚類表面活性劑包括以下原料:聚醚類表面活性劑55~75份,磷酸45~60份,催化劑a?0.3~0.7份,碳酸鈉試劑1~3份。
12、上述方案中,所述聚醚類表面活性劑為烯丙醇聚氧乙烯醚、甲氧基聚乙二醇和異戊二烯基聚氧乙烯醚的混合物;其中烯丙醇聚氧乙烯醚、甲氧基聚乙二醇和異戊二烯基聚氧乙烯醚的質量比為(1.8~3.0):(0.7~1.8):1。
13、上述方案中,所述催化劑a為4,4'-偶氮雙(4-氰基戊酸)與疏基乙酸的混合物,兩者質量比為1:1。
14、上述方案中,所述碳酸鈉試劑為濃度1.2%的碳酸鈉溶液。
15、上述方案中,所述自制聚醚類表面活性劑的制備步驟如下:
16、(1)在帶有溫度計與攪拌器的三口燒瓶中加入聚醚類表面活性劑55~75份,加熱溫度至65~70℃,加熱速率5~7℃/min,維持30~45min;
17、(2)加入催化劑a?0.3~0.7份,保溫65~70℃并持續攪拌20~30min;后加熱至90~140℃,升溫速率5~7℃/min,使用蠕動泵將磷酸45~60份以恒定速度送入所述三口燒瓶中,泵入速度為1.4~1.6份/min,完成后封閉所述反應容器保溫3~5h;
18、(3)隨后靜置待溫度降至35~45℃時,往所述三口燒瓶中滴入碳酸鈉試劑1~3份,將體系ph值控制在7~8之間,即得所述自制聚醚類表面活性劑。
19、上述方案中,所述自制疏水烷氧基硅烷包括以下原料:炔基硅烷30~40份,溴化氫30~40份,四氫呋喃5~10份,催化劑b?0.3~0.8份。
20、上述方案中,所述炔基硅烷為3-(三乙氧基硅基丙基)氨基甲酸炔丙酯。
21、上述方案中,所述催化劑b為pd-caco3催化劑與醋酸鉛的混合物,其中所述pd-caco3催化劑與所述醋酸鉛的質量比為1:0.4。
22、上述方案中,所述自制疏水烷氧基硅烷的制備步驟如下:
23、在反應容器中依次加入炔基硅烷30~40份,四氫呋喃5~10份與催化劑b?0.3~0.8份,再通入溴化氫氣體30~40份后密閉所述反應容器,之后以5~7℃/min的恒定速率將溫度升至150~160℃,以0.4~0.5mpa/h的恒定速率將壓力升至5~8個大氣壓,保持恒溫恒壓5~6h,冷卻至室溫后得到所述自制疏水烷氧基硅烷。
24、上述方案中,所述四氫呋喃用作惰性溶劑,所述溴化氫氣體通過打氣筒注入反應容器。
25、上述方案中,所述穩定劑為黃原膠與羧甲基纖維素的粉末狀混合物,其中所述黃原膠與所述羧甲基纖維素的質量比為1:1。
26、在本發明中,自制聚醚類表面活性劑由不同種類醚類表面活性劑與磷酸發生膦酸酯化有機反應得來,其中烯丙醇聚氧乙烯醚(apeg)與異戊二烯基聚氧乙烯醚(tpeg)能更好吸附于硅灰上,使得硅灰在水溶液中分散性增強,甲氧基聚乙二醇(mpeg)能夠更好的吸附在水泥上,增加水泥分散性,三種表面活性劑共同作用,顯著提高水泥與硅灰的分散性,降低水泥與硅灰之間的相互吸引力,減少團聚現象的發生;膦酸基團具有強的競爭吸附能力,可以吸附在水泥與硅灰表面,對在堿性環境中表面帶負電荷的硅灰具有優異的分散能力,在水泥—硅灰漿體中表現出優異的分散性能;基于膦酸酯化有機反應,將醚類表面活性劑與膦酸基團結合起來,兩者協同,共同提高水泥—硅灰漿體的分散性能。
27、在本發明中,自制疏水烷氧基硅烷由3-(三乙氧基硅基丙基)氨基甲酸炔丙酯與溴化氫發生加成反應得來,其中炔基硅烷攜帶的疏水性烷氧基硅烷基團,可以降低硅灰的表面張力,降低水分子與硅灰顆粒表面的接觸角,使水分子容易滲透于硅灰團聚體的內部;溴離子與水親和性高,有效吸附在硅灰表面后可以生成一層水保護膜,進而降低硅灰自身或與水泥之間的相互吸引,降低其表面能從而減少團聚現象的發生;加成反應催化劑加入pd-caco3催化劑與醋酸鉛的混合物,可以保證反應加成僅到烯烴,后續不再加成。
28、與現有的技術相比,本發明的有益效果是:
29、(1)本發明提供了一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑,該復合表面活性劑通過多種有機物基團、堿性環境與穩定劑成分的協同作用,能夠大大提高硅灰的分散性能與穩定性能,應用于混凝土中能夠顯著改善混凝土強度變化不穩定和工作性能變化的問題,進一步提高了其在混凝土中的應用,環保節能且綠色低碳,具有廣泛的應用前景。
30、(2)本發明提供了一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑的制備方法,該方法第一步是由丙烯酸、自制聚醚類表面活性劑與自制疏水烷氧基硅烷通過自由基聚合反應生成,產物形狀為梳型,復合表面活性劑擁有聚醚基團、膦酸基團、疏水性烷氧基硅烷基團與溴離子,可以大大提高硅灰在水溶液體系中的分散性能。
31、(3)本發明提供的一種用于硅灰漿體的高分散穩定性的復合表面活性劑中的聚醚基團與堿性環境互相協同,在硅灰添加至水泥漿中時,可以增大空間位阻,降低硅灰之間的吸引力,有利于體系穩定;穩定劑(黃原膠與羧甲基纖維素)對硅灰的吸附能力更強,使分散的二氧化硅顆粒具有穩定的粘度,提供了更好的流變穩定性;穩定劑與自由基聚合反應產物結合起來,對水泥—硅灰漿體系提供了優異的穩定性能。