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淀粉改性制备水泥基材料减水剂的研究

作　者: 王田堂
导　师: 严云
学　校: 西南科技大学
专　业: 材料学
关键词: 氧化-醚化淀粉醚化度减水剂流变行为缓凝机理 Ca2+络合
分类号: TU528.042.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

减水剂是制备混凝土时经常用到并对混凝土性能改善有重要作用的外加剂,它的减水增塑作用可使水泥颗粒分散更均匀,可降低混凝土拌合物材料分离的趋势,使硬化混凝土的质量更为均匀,有效提高混凝土的强度、耐久性和抗渗性。目前,工程中常用的减水剂主要有萘系、氨基磺酸系和聚羧酸系高效减水剂等,它们在混凝土中的广泛应用很好地拓展了混凝土工业的应用范围。但是这几类减水剂都是本身有毒或生产过程排放大量有毒废液,不可生物降解,不符合当今“环保经济”的主题。淀粉是天然高分子碳水化合物,来源广泛,本身无毒性,是一类很有改性价值的原料,现在已经有相当多的领域使用淀粉或淀粉衍生物。本文以玉米淀粉为原料进行分子功能结构设计,以期制备出一种具有优良减水性能的减水剂,并探讨验证淀粉类减水剂减水机理,对其缓凝机理进行分析,解决其异常凝结导致的应用问题。本文采用三种不同淀粉进行了制备水泥混凝土减水剂的探索。先以可溶性淀粉为原料确定改性工艺和分子官能团设计的可行性:通过水溶液法,以次氯酸钠作为氧化剂,在碱性催化下制取氧化淀粉,再经溶媒法以环氧乙烷作醚化剂,在无水乙醇溶液中,维持碱性环境,将氧化淀粉醚化,制备出氧化-醚化淀粉（以下简称OES减水剂）,以水泥净浆流动度作为减水效果的考察标准,结果表明:在羧基含量为0.48%时及醚化度（摩尔取代度）为0.5时减水剂能力最好。以一定酸解条件下的玉米淀粉为改性原料,采用相同的改性工艺也制备出了具有良好分散能力的OES减水剂。同时将购自工厂的以过氧化氢氧化的具有同等羧基含量的氧化淀粉经醚化改性也制备出具有良好减水性能的OES,为OES的工业化打下一定的基础。OES减水剂性能测试结果表明:与萘系高效减水剂相比,在掺量0.6%时OES减水剂的减水作用优于萘系;30min后,掺加OES减水剂浆体的流动度不损失,反而增加22.4%且2h内浆体的流动度基本无损失。OES减水剂对水泥浆体具有明显缓凝作用,水化放热峰出现在75h,但不影响后期水化,7d时抗压强度已达国家标准,28d时抗压强度比可达127%,可作为水泥的一种优良的超级缓凝型高效减水剂使用。Zeta电位、吸附量和吸附层厚度测试表明, OES减水剂的减水分散作用是通过吸附在水泥颗粒表面的减水剂分子的空间位阻实现的。OES减水剂通过分子链上阴离子羧酸基团吸附于水泥颗粒表面,其含有众多支链的大分子链段以及醚化引入的醚键易以氢键与水分子结合从而形成溶剂化水膜,大分子链和溶剂化水膜共同提供空间位阻作用。通过对OES对Ca²⁺络合量的测定表明,其缓凝作用主要是由于其分子链上众多的羟基能与Ca²⁺络合,从而阻止了C3A的水化,推迟了水化的进行。而通过对OES与速凝剂TEA和饱和石灰水复配可以有效降低其缓凝作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
1 绪论  12-21
  1.1 课题的提出（研究背景及意义）  12-15
    1.1.1 水泥基材料减水剂的研究进展  12-13
    1.1.2 改性淀粉作水泥减水剂意义及优势  13-15
  1.2 氧化淀粉与醚化淀粉的研究应用现状  15-17
    1.2.1 氧化淀粉的研究应用现状  15-16
    1.2.2 醚化淀粉的研究应用现状  16-17
  1.4 天然高分子改性作水泥减水剂的研究现状  17-18
    1.4.1 国外天然高分子减水剂研究进展  17-18
    1.4.2 国内天然高分子减水剂研究进展  18
  1.5 本课题的主要目的及研究内容  18-21
    1.5.1 本课题的主要目的  18-19
    1.5.2 本课题的主要研究内容  19
    1.5.3 改性工艺流程  19-21
2 实验原材料及制备方法  21-26
  2.1 实验仪器设备  21-22
  2.2 实验原材料与试剂  22
  2.3 氧化淀粉的制备  22-24
    2.3.1 氧化剂的选择与氧化机理  22-23
    2.3.2 氧化工艺  23-24
  2.4 氧化淀粉的醚化制备  24-25
  2.5 玉米淀粉与普通氧化淀粉为原料改性为 OES 的工艺  25-26
3 主要测试方法与表征手段  26-36
  3.1 产物结构表征  26-31
    3.1.1 红外光谱分析  26
    3.1.2 分子量测试  26-28
    3.1.3 取代度测定  28-31
  3.2 产物应用性能测试  31-33
    3.2.1 净浆性能测试  31
    3.2.2 砂浆减水率  31-32
    3.2.3 胶砂强度测试  32
    3.2.4 混凝土强度测试  32-33
    3.2.5 水化热分析  33
    3.2.6 X 射线衍射（ XRD）分析  33
    3.2.7 流变仪测流变性能  33
  3.3 减水剂的减水机理分析测试  33-36
    3.3.1 Zeta 电位检测  33
    3.3.2 紫外分光光度法测吸附量  33-34
    3.3.3 X-Ray 能谱仪测吸附层厚度  34-36
4 OES 作水泥减水剂的性能研究  36-61
  4.1 氧化与醚化过程的影响因素分析  36-44
    4.1.1 溶剂法制备氧化淀粉的影响因素研究  36-40
    4.1.2 溶媒法制备醚化淀粉的影响因素研究  40-44
  4.2 氧化度和醚化度对水泥净浆流动度影响  44-46
  4.3 OES 的结构表征  46-47
    4.3.1 OES 的红外分析  46
    4.3.2 OES 的分子量  46-47
  4.4 不同原料制备的 OES 减水效果  47-48
  4.5 OES 掺量对水泥净浆流动度影响  48-50
  4.6 OES 作水泥减水剂的应用性能  50-60
    4.6.1 砂浆减水率  50
    4.6.2 净浆流变特性  50-55
    4.6.3 OES 对水泥净浆的凝结时间影响  55-56
    4.6.4 净浆水化热  56-58
    4.6.5 净浆水化产物的 XRD 分析  58-59
    4.6.6 胶砂强度  59
    4.6.7 混凝土强度  59-60
  4.5 小结  60-61
5 OES 作水泥减水剂的减水机理  61-67
  5.1 Zeta 电位  61-63
  5.2 吸附量的分析  63-65
  5.3 吸附层厚度分析  65-66
  5.4 小结  66-67
6 OES 作水泥减水剂的缓凝机理  67-75
  6.1 引言  67
  6.2 缓凝剂作用机理  67-68
    6.2.1 无机缓凝剂作用机理  67-68
    6.2.2 有机缓凝剂作用机理  68
  6.3 OES 对 Ca~(2+)的络合能力测定  68-72
    6.3.1 测定方法  69-70
    6.3.2 有机缓凝作用机理  70-72
  6.4 与促凝剂复配效果测定  72-73
    6.4.1 实验方法  72
    6.4.2 复配结果分析  72-73
  6.5 小结  73-75
结论  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-83
攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果  83

淀粉改性制备水泥基材料减水剂的研究

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