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造纸废液对环境的污染非常严重,传统处理方式利用其制备木质素磺酸盐类减水剂的做法已不能满足现代混凝土工程对减水剂高减水率、低掺量、相容性好等方面的性能要求,迫切需要利用现代合成新技术研发以造纸废液为主要原材料的新型高效混凝土减水剂-木聚系高效减水剂,并对其进行应用技术研究,这不仅可以实现“减排”环保,又带动了混凝土减水剂高性能化的发展。
本文首先探索了利用脂肪族、萘系以及聚羧酸系三种高效减水剂中间体与经处理的纸浆废液接枝聚合制备三大类木聚系减水剂(木聚脂肪系、木聚萘系和木聚羧酸系)的最佳合成工艺,以净浆流动度为考察指标系统研究了单体比例(10%、20%、30%等)、引发剂用量(2%~15%)、合成温度(30℃~100℃)与接枝反应时间(3h~5h)等关键合成参数对产物性能的影响规律和特点,并运用红外光谱分析对其主要官能团进行了表征。试验结果表明,三类高效减水剂中间体官能团成功接枝在预处理纸浆废液得到的木质素磺酸盐中间体分子链上,形成了集多种高效减水、分散、缓凝、位阻等官能团于一体的新型高效木聚系减水剂。
系统研究了三类新型木聚系减水剂与水泥的相容性,详细分析了水泥中的混合材种类(粉煤灰和矿渣)及掺量(10%、20%和30%)、碱含量(0.6%~1.0%)、C3A含量(6.4%、7.6%和9.2%)、细度(346m2/kg、364m2/kg和387m2/kg)等关键因素的影响规律。研究发现,混合材掺入水泥中对于木聚系减水剂与水泥的相容性有良好的促进作用,掺20%粉煤灰可使得水泥净浆初始流动度上升20%,而同掺量的矿渣可使其提高15%;碱含量从0.6%增大到1.0%时,掺木聚系减水剂的水泥净浆初始流动度急剧下降达60%;随着C3A含量的升高,净浆流动度逐步降低,而当C3A含量达到9.2%时,60min流动度尚可保持在160mm左右;水泥细度的增大使得掺木聚系减水剂的水泥净浆流动度30min内损失加剧,当水泥细度达到387m2/kg时,掺木聚脂肪族减水剂的水泥净浆流动度已低至80mm。
考察了掺木聚系减水剂C40和C60新拌混凝土的物理性能以及硬化混凝土的力学性能、收缩变形性和长期耐久性。研究发现:木聚脂肪族减水剂掺入后新拌混凝土泌水率略高,而木聚羧酸系减水剂则表现出一定的引气作用;三种木聚系减水剂均可提高混凝土的强度10%~20%,明显加快了C60混凝土早期(7d前)动弹性模量的发展;木聚系减水剂对抑制C40混凝土后期收缩性能方面作用显著,28天时收缩率减少1/3以上;随碳化龄期的增长,碳化深度增大,且C60混凝土(掺有20%粉煤灰)的各龄期碳化深度均大于不掺的对比组;掺木聚萘系和木聚脂肪族减水剂C40混凝土的相对动弹性模量均在300次冻融循环后降至60%以下,试件疏松开裂,而掺木聚系减水剂C60混凝土的均保持在65%以上;C40和C60混凝土氯离子渗透系数均大幅度降低,掺木聚羧酸系减水剂的C60混凝土氯离子渗透系数低至6.8×10-9cm2/s.
通过表面张力和有机碳吸附量测定,研究了木聚系减水剂的吸附分散机理。测定结果表明:三种木聚系减水剂均能有效降低溶液表面张力,在水泥颗粒表面的吸附量较小,因而液相中有相对较多的减水剂分子通过静电斥力或位阻作用将聚集在一起的水泥颗粒分散开。
利用水化热测定方法研究了掺三类新型木聚系减水剂的水泥浆体的水化放热过程。结果表明:三种木聚系减水剂均可延缓水泥早期水化,使得第二水化放热速率峰推迟10h以上,尤其掺木聚羧酸系减水剂的更是高达40h。
此外,本文还运用XRD、ESEM等现代微观测试方法对掺三类新型木聚系减水剂的水泥硬化浆体中水化产物数量与形貌等进行了系统研究。结果发现:三种木聚系减水剂尽管可延缓水泥早期水化,但并不影响后期水化产物的生成和正常发育,反而使得硬化浆体的微结构更为致密,孔结构更加细化。