CN108299640A - 一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用 - Google Patents

一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用，还公开一种含有该耐泥保坍型减水剂剂的建筑固废再生骨料混凝土。本发明利用高分子结构设计原理，通过曼尼奇(Mannich)反应，对水溶性聚合物聚乙烯亚胺(PEI)改性，引入亚磷酸官能团，合成对泥土及再生骨料粉料具有特殊容忍度的保坍减水剂。该产品分子结构中含有大量的带有正电荷的胺基，分子结构呈团型，这种团型结构为物理交联，在水泥颗粒表面形成络合吸附层，具有优良保坍能力，克服了市场上保坍型聚羧酸减水剂分散性差、减水率低、的缺点，该耐泥保坍型减水剂单独或与其它功能性聚羧酸减水剂复配使用，对建筑固废再生骨料混凝土具有良好的减水和保坍性能。

Description

一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用
技术领域
本发明涉及混凝土技术领域，具体是涉及一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用。
背景技术
混凝土是地球上除水之外的消耗量第二大的材料，世界上每年消耗量超过200亿吨，混凝土消耗巨大的同时，也引起资源消耗和废弃物处理的社会和环保问题。
我国是世界上年新建建筑最大的国家，同时也是世界上每年拆除旧建筑最多的国家，据初步估算，每平方米建筑的拆除将产生1吨左右的建筑固废物。城市的快速发展，必然会产生大量的建筑固废物，妥善处理建筑固废物，成为全社会需要重视和解决的问题。业界普遍认为，建筑固废物资源化是解决这一难题的钥匙。
目前废弃混凝土的处理方式主要有两种：一种是作为回填材料简单使用，二是运往郊外简单堆放掩埋。前者尚未对这些资源进行合理利用，后者则不但占用了大量农田，甚至会造成新的环境污染。随着环境保护与可持续发展战略的深入，人们迫切要求对这些废弃混凝土进行有效、合理地加以利用，利用废弃混凝土生产再生骨料，可以节约工程成本，节约天然骨料开采费用和废弃混凝土处理费用，有着重要的经济效益和社会效益。
对于废旧混凝土的再生利用，日本、美国、德国、英国、丹麦、荷兰等国家都开展了大量的研究工作，其中以日本研究的最好，他们将建筑固废视为“建筑副产品”。
国内再生骨料的研究起步较晚，生产出的再生骨料性能较差(粒形和级配都不好，表面附有大量砂浆，吸水率大，密实体积小，压碎指标低)。近几年，人们对再生混凝土研究越来越多，研究工作主要集中在用再生骨料部分或全部代替天然骨料后，对制备的混凝土的性能影响方面，以及在制备混凝土时添加粉煤灰等矿物掺合料来提高再生混凝土的各种性能，而且没有获得令人满意的效果。
由建筑固废生产再生骨料，主要是由破碎和筛分两部分组成。和国外的制备工艺比较，中间缺少强化处理阶段，也使得由此得到的再生骨料性能明显劣于天然骨料。
再生粗骨料颗粒一般由表面洁净的石子、表面包裹着部分水泥砂浆的石子和水泥砂浆颗粒三部分组成。
未经强化处理的简单破碎再生骨料即低品质再生骨料颗粒棱角多，表面粗糙，组分中还含有硬化水泥砂浆(水泥砂浆孔隙率大、吸水率高)，再加上混凝土块在解体、破碎过程中因损伤累积在内部造成大量微裂纹，导致再生骨料的孔隙率增大，从而使吸水率和吸水速率增大。吸水率的大小与骨料中的水泥石含量、骨料表面的水泥砂浆附着率﹑原混凝土强度﹑原混凝土所用骨料种类和再生骨料的制备方法等因素有关。
由于再生骨料表面含有大量的水泥砂浆，与天然骨料相比，再生骨料的堆积密度和表观密度，都有所降低。
再生骨料的含泥量远高于天然骨料。
再生骨料混凝土的孔隙率高于天然骨料混凝土。
再生骨料的特点，决定了再生骨料混凝土具有如下的特点：
1、需水量高，外加剂掺量高；
2、坍落度经时损失大。
3、收缩率大
针对再生骨料含泥含粉量高及成分复杂导致的再生混凝土经时坍落度损失大的问题，目前市场上还没有与之相匹配的效果良好的保坍剂。
聚羧酸减水剂具有掺量低、减水率高、混凝土收缩率低、绿色环保等优点，得到越来越广泛的应用。但实际应用中发现，传统的聚羧酸减水剂对骨料中的含泥量非常敏感，随着骨料中含泥量的提高，聚羧酸减水剂的分散性及保坍性明显降低，甚至失去分散性，在优质砂石资源日益匮乏，几近枯竭的大环境下，以及环保及混凝土可持续发展的背景下，再生骨料的应用及再生骨料混凝土的实施推广应用，势在必行。而实现再生混凝土的应用推广，迫切需要解决的技术难点就是由于再生骨料含泥含粉量高而导致的和易性差及经时损失大的问题，因此研发建筑固废再生骨料混凝土专用保坍剂，是一个迫切解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供了一种耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用，本发明还提供了一种含有该耐泥保坍型减水剂的建筑固废再生骨料混凝土，利用高分子结构设计原理，通过曼尼奇(Mannich)反应，对水溶性高分子聚合物聚乙烯亚胺(PEI)改性，引入亚磷酸官能团，合成对泥土及再生骨料粉料具有特殊容忍度的保坍减水剂。
为实现上述目的，所采取的技术方案：一种建筑固废再生骨料混凝土，所述再生混凝土包括水、水泥、外加剂、集料，所述外加剂包括耐泥保坍型减水剂，所述耐泥保坍型减水剂为式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示的化合物，所述式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示的化合物结构式如下：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
本发明的再生混凝土具有良好的流动性和坍落度保持性，克服了再生混凝土坍落度经时损失大的缺点，是由于添加了抗泥保坍型减水剂，本发明应用高分子结构设计理论，研发合成了一种新型的建筑固废再生骨料及再生混凝土专用的抗泥保坍型减水剂，由于聚乙烯亚胺含有大量胺基，而胺基带有正电荷，可以吸附在带有负电荷的泥土颗粒表面，抑制传统聚羧酸减水剂PEO侧链对粘土颗粒的连插层反应，具有优越的抗粘土性能；同时在分子中引入了大量的带有两个负电荷的亚磷酸根，迅速吸附在带有正电荷的水泥颗粒表面，分散水泥颗粒，同时由物理交联而形成的团型分子结构，在水泥颗粒表面形成络合吸附层，形成一定的空间位阻作用，保持混凝土的流动性和坍落度，具有优良的保坍能力，克服了市场上保坍型聚羧酸减水剂分散性差、减水率低、泥土容忍度低的缺点，该耐泥保坍型减水剂单独或与其它功能性聚羧酸减水剂复配使用，对建筑固废再生骨料混凝土具有良好的保坍性能。
优选地，所述x为1～50的整数。支化型的减水剂其效果比直线型的减水剂效果更佳，这是因为支化聚乙烯亚胺亚磷酸钠比线性聚乙烯亚胺亚磷酸钠具有更大的空间位阻效应，具有更多的带有两个负电荷的亚磷酸根吸附在水泥颗粒表面，分散水泥颗粒，从而具有更好的减水效果和耐泥保坍效果。
优选地，所述混建筑固废再生骨料混凝土凝土还包括粉煤灰和矿粉，粉煤灰的加入不仅可以替代部分水泥，还可以降低混凝土的成本，而且能改善混凝土的和易性的性能。
优选地，所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
将聚乙烯亚胺及亚磷酸、浓盐酸，在40～45℃充分搅拌，缓慢滴加甲醛水溶液，2-3小时滴加完毕，缓慢加热升温至80-90℃，继续反应2-4小时，至溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加NaOH溶液调节pH＝8-9，得式Ⅰ)或式Ⅱ)聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
优选地，所述聚乙烯亚胺结构式如式(Ⅲ)和式(Ⅳ)所示：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
优选地，所述聚乙烯亚胺:亚磷酸:甲醛的摩尔比为1.0:(0.2～3.0):(0.2～3.0)。
优选地，所述集料包括河砂、天然石子、再生石子，所述水、水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、天然石子、再生石子、减水剂重量比为(170～190):(220～240):(55～75):(70～90):(795～835):(310～465):(550～720):(9.5～13.5)。
优选地，所述耐泥保坍型减水剂制备方法中，所述将聚乙烯亚胺水溶液及亚磷酸混合溶液中还包括37wt％浓盐酸，所述浓盐酸占总反应体系的体积百分比为0.08％～0.1％，所述聚乙烯亚胺水溶液浓度为50wt％、所述氢氧化钠浓度为40wt％。
优选地，所述减水剂还包括普通聚醚聚羧酸保坍剂，所述普通聚醚聚羧酸减水剂与本发明耐泥保坍减水剂重量比为50:50，本发明的减水剂与普通聚羧酸减水剂复配使用，其效果更好。
耐泥保坍型减水剂在再生混凝土中的应用，所述所述耐泥保坍型减水剂为式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示的化合物，所述式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示的化合物结构式如下：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
本发明的有益效果：
(1)分子结构中含有大量的胺阳离子，吸附在表面带有负电荷的泥土颗粒表面，分散泥土颗粒，抑制普通聚羧酸减水剂分子中的PEO侧链对泥土颗粒的链插层反应，大大提高了抗泥性。
(2)阴阳离子平衡，胺阳离子与-PO3 2-之间、Ca2+与-PO3 2-之间形成微交联结构；
(3)分子呈团型结构，这种团型结构为物理交联，在水泥颗粒表面形成络合吸附层，赋予其优越的保坍性能；
(4)在耐泥保坍型减水剂分子结构中引入了大量的亚磷酸根，这些带有两个负电荷的亚磷酸根基团，可以快速地吸附在表面带有正电荷的水泥颗粒表面，分散水泥颗粒，具有较高的减水率；
(5)由于大量的胺基基团与水形成氢键，增加了水泥浆体的粘度，提高了混凝土拌合物的流动性和粘聚性。
(6)分子结构中含有大量的N+电荷，而N+电荷可以加速水泥水化反应速率，显著提高混凝土的早期强度，在预制构件及管桩、管片混凝土中使用，能显著提高混凝土的早期强度，缩短拆模时间及模具周转周期。
(7)本发明应用高分子结构设计理论，使用水溶性聚合物PEI和亚磷酸(H3PO3)通过Mannich反应，合成了一种新型的建筑固废再生骨料及再生混凝土专用的耐泥保坍型减水剂，克服了市场上保坍型聚羧酸减水剂分散性差、减水率低、泥土容忍度低的缺点，该耐泥保坍型减水剂单独或与其它功能性聚羧酸减水剂复配使用，对建筑固废再生骨料混凝土具有良好的保坍性能。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明的耐泥保坍型减水剂的一种实施例，本实施例所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
在带有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500ml四口玻璃烧瓶内，加入计量的50wt％PEI水溶液及亚磷酸H3PO3,、0.3毫升37wt％浓盐酸(体积占总反应体系的0.1％)，充分搅拌，升温至40℃，缓慢滴加计量的37％甲醛水溶液，2小时滴加完毕，缓慢加热升温至80℃，继续反应3小时，溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加40％氢氧化钠溶液，调节pH＝8-9，得产品聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
其中，PEI：H3PO3：HCHO的摩尔比为1.0:0.2:0.9。
本实施例的PEI结构为线型结构，为其中n为10～300的整数。
本实施例的终产物聚乙烯亚胺亚磷酸钠的结构式为：
其中n为10～300的整数。
实施例2
作为本发明的一种实施例，本实施例所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
在带有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500ml四口玻璃烧瓶内，加入计量的50wt％PEI水溶液及亚磷酸H3PO3、0.25毫升37wt％浓盐酸(体积占总反应体系的0.08％)，充分搅拌，升温至45℃，缓慢滴加计量的37％甲醛水溶液，2.5小时滴加完毕，缓慢加热升温至85℃，继续反应2小时，溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加40％氢氧化钠溶液，调节pH＝8-9，得产品聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
其中，PEI：H3PO3：HCHO的摩尔比为1.0:1.5:0.2。
本实施例的PEI结构与是实施例1不同的是，其中x为1，为支化型PEI，其结构式为支化型结构，其结构式为：
其中x为1，y为10～300的整数。
本实施例的终产物聚乙烯亚胺亚磷酸钠的结构式为
其中x为1，y为10～300的整数。
实施例3
作为本发明的一种实施例，本实施例所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
在带有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500ml四口玻璃烧瓶内，加入计量的50wt％PEI水溶液及亚磷酸H3PO3、0.3毫升37wt％浓盐酸(体积占总反应体系的0.1％)，充分搅拌，升温至43℃，缓慢滴加计量的37％甲醛溶液，3小时滴加完毕，缓慢加热升温至90℃，继续反应3小时，溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加40％氢氧化钠溶液，调节pH＝8-9，得产品聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
其中，PEI：H3PO3：HCHO的摩尔比为1.0:2.2:2.1。
本实施例的PEI结构为支化型PEI，其结构式为：
其中x为1～50的整数；y为10～300的整数。
本实施例的终产物聚乙烯亚胺亚磷酸钠的结构式为：
其中x为1～50的整数，y为10～300的整数。
实施例4
作为本发明的一种实施例，本实施例所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
在带有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500ml四口玻璃烧瓶内，加入计量的50wt％PEI水溶液及亚磷酸H3PO3、0.3毫升37wt％浓盐酸(体积占总反应体系的0.1％)，充分搅拌，升温至40℃，缓慢滴加计量的37％甲醛溶液，3小时滴加完毕，缓慢加热升温至90℃，继续反应4小时，溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加40％氢氧化钠溶液，调节pH＝8-9，得产品聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
其中，PEI：H3PO3：HCHO的摩尔比为1.0:1.8:3。
本实施例的PEI结构为支化型PEI，其结构式为：
其中x为1～50的整数，y为10～300的整数；
本实施例的终产物聚乙烯亚胺亚磷酸钠的结构式为：
其中x为1～50的整数，y为10～300的整数。
实施例5
作为本发明的一种实施例，本实施例所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
在带有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500ml四口玻璃烧瓶内，加入计量的50wt％PEI水溶液及亚磷酸H3PO3、0.3毫升37wt％浓盐酸(体积占总反应体系的0.1％)，充分搅拌，升温至45℃，缓慢滴加计量的37％甲醛水溶液，3小时滴加完毕，缓慢加热升温至90℃，继续反应3.5小时，溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加40％氢氧化钠溶液，调节pH＝8-9，得产品聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
其中，PEI：H3PO3：HCHO的摩尔比为1.0:3:2.1。
本实施例的PEI结构为支化型PEI，其结构式为：
其中x为1～50的整数，y为10～300的整数。
本实施例的终产物聚乙烯亚胺亚磷酸钠的结构式为：
其中x为1～50的整数，y为10～300的整数。
实施例6
本发明的耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用，将本发明实施例1～5制备的耐泥保坍型减水剂与普通聚醚聚羧酸减水剂按照50:50的重量配比混合后作为减水剂，本应用例按表1的配方制备再生混凝土，减水剂掺量以制备的混凝土具有相同出机坍落度及扩展度为准，掺量为9.5～13.3重量份，其中对照组制备的再生混凝土除了减水剂不同外，其余成分均相同，结果如表2所示；
表1为应用例1建筑固废再生骨料混凝土原料重量份配方：
上述表1中的减水剂分别用实施例1～5制备的减水剂。
表2再生混凝土的性能测试结果
本应用例中，其余成分与含量相同的情况下，选用本发明的耐泥保坍型减水剂(本发明不同实施例制备得到不同结构的减水剂)及普通聚羧酸保坍剂与普通聚醚聚羧酸减水剂复配使用，其效果如表2所示，表2结果表明，在配制建筑固废再生骨料混凝土的使用中，与普通的聚羧酸保坍剂相比，本发明的耐泥型保坍剂具有更优异的减水率，且其混凝土扩展度和坍落度随着时间的改变较小，其效果出现显著区别，而通过实验可知，实施例2～5制备的支化型的减水剂用于再生混凝土中，其效果比实施例1的直线型的减水剂效果更佳，这是因为支化聚乙烯亚胺亚磷酸钠比线性聚乙烯亚胺亚磷酸钠具有更大的空间位阻效应，具有更多的带有两个负电荷的亚磷酸根吸附在水泥颗粒表面，分散水泥颗粒，从而具有更好的减水效果和耐泥保坍效果；其中以实施例3效果最佳，此结果是由于实施例3中胺基通过Mannich反应形成的亚磷酸根数最多的缘故。本发明坍落度在从2h损失小于20mm，而普通聚羧酸保坍剂从200降至90，损失为110mm。本发明的坍落度在120min后，坍落度经时损失小，而普通聚羧酸保坍剂基本坍落，且本发明的硬化混凝土强度比普通聚羧酸保坍剂大；本发明由于聚乙烯亚胺含有大量胺基，而胺基带有正电荷，可以吸附在带有负离子的泥土颗粒表面，抑制传统聚羧酸减水剂PEO侧链对粘土颗粒的链插层反应，具有优越的抗粘土性能，而粘土是导致再生混凝土坍落度经时损失的的最主要原因。
实施例7
表4为应用例2不同重量份含量的建筑固废再生混凝土的配方，：
表4的减水剂均选用性能最佳的实施例3制备的聚乙烯亚胺亚磷酸钠与普通聚醚聚羧酸减水剂按照50:50的重量配比混合后作为减水剂，按表4的配方制备再生混凝土，减水剂掺量以制备的混凝土具有相同出机坍落度及扩展度为准，其中对照组制备的再生混凝土除了减水剂不同外，其余成分均相同。
为考察不同含量的组分对建筑固废再生混凝土的性能影响，对应用例2进行性能测试，得到表5：
从表5以及结合表2可看出，建筑固废再生石子取代天然石子的比例越大，混凝土含泥含粉量越高，需水量及外加剂掺量亦越高，但对混凝土强度发展影响不大，表明：对再生混凝土的坍落度及坍落度保持性起主要作用的是减水剂，减水剂结构不同，其产生效果不同，且本发明的保坍减水剂的性能远远优于普通的市售保坍减水剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述再生混凝土包括水、水泥、外加剂、集料，所述外加剂包括耐泥保坍型减水剂，所述耐泥保坍型减水剂为式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示的化合物，所述式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示的化合物结构式如下：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
2.根据权利要求1所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述x为1～50的整数。
3.根据权利要求1所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述混凝土还包括粉煤灰和矿粉。
4.根据权利要求1所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述耐泥保坍型减水剂由以下方法制备而成：
将聚乙烯亚胺及亚磷酸，在40～45℃充分搅拌，缓慢滴加甲醛水溶液，2-3小时滴加完毕，缓慢加热升温至80-90℃，继续反应2-4小时，至溶液为黄棕色，降低温度至40℃以下，加NaOH溶液调节pH＝8-9，得式(Ⅰ)或式(Ⅱ)聚乙烯亚胺亚磷酸钠。
5.根据权利要求4所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述聚乙烯亚胺的结构式如式(Ⅲ)和式(Ⅳ)所示：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
6.根据权利要求4所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述聚乙烯亚胺:亚磷酸:甲醛的摩尔比为1.0:(0.2～3.0):(0.2～3.0)。
7.根据权利要求3所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述集料包括河砂、天然石子、再生石子，所述水、水泥、粉煤灰、矿粉、河砂、天然石子、再生石子、减水剂的重量比为(170～190):(220～240):(55～75):(70～90):(795～835):(310～465):(550～720):(9.5～13.5)。
8.根据权利要求4所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述耐泥保坍型减水剂制备方法中，所述将聚乙烯亚胺水溶液及亚磷酸混合溶液中还包括37wt％浓盐酸，所述浓盐酸占总反应体系的体积百分比为0.08％～0.1％，所述聚乙烯亚胺水溶液浓度为50wt％、所述氢氧化钠浓度为40wt％。
9.根据权利要求1所述的建筑固废再生骨料混凝土，其特征在于，所述减水剂还包括普通聚醚聚羧酸减水剂，所述普通聚醚聚羧酸减水剂与所述耐泥保坍型减水剂重量比为50:50。
10.耐泥保坍型减水剂在建筑固废再生骨料混凝土中的应用，其特征在于，所述耐泥保坍型减水剂为式(Ⅰ)或式(Ⅱ)所示的化合物，所述式(Ⅰ)和式(Ⅱ)所示的化合物结构式如下：
其中，x为0～50的整数；y为10～300的整数；n为10～300的整数。
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