MPA改性粉煤灰的合成与应用研究

王珺霞，白世程

（延安职业技术学院，陕西 延安 716000）

MPA改性粉煤灰的合成与应用研究

王珺霞，白世程

（延安职业技术学院，陕西 延安 716000）

粉煤灰通过表面羟基化处理、有机硅烷偶联剂交联改性、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯(MPA)接枝聚合得到粉煤灰接枝聚合产物。水泥的净浆流动度和胶砂流动度试验表明，改性后的粉煤灰适应性得到显著提高；混凝土试验证明，改性后的粉煤灰工作性能良好，掺入混凝土中，混凝土28d抗压强度提升。

粉煤灰；水泥基复合材料；聚合改性；抗压强度

水泥基复合材料的基体材料为硅酸盐水泥，增强材料为纤维等，加入矿粉、水和化学助剂等加工形成高性能复合材料。它具有耐久性强、抗压性高、价格低廉等优点，广泛应用于公路、桥梁、铁路、隧道、城建等领域，为推动国民经济的快速发展做出了巨大贡献[1,2]。但其存在抗折强度与抗压强度的不对称性和抗疲劳性仍待提高的不足之处[3,4]。研究表明，水泥基复合材料内部的相界面过渡区存有大量的微裂缝，这是水泥基复合材料结构中最薄弱之环节，也是影响其性能的关键因素。据此，改善其相界面过渡区形态和提高其相界面的作用力是提高水泥基复合材料性能的重要途径之一[5-7]。针对上述不足，现阶段可以采取聚合物浸渍、纤维增强等方法解决，使得水泥基复合材料的性能在一定程度上得以改善，但其施工不便、价格昂贵等不利之处，而且水泥基复合材料过渡区相界面作用力问题还没有从根本上解决[8-12]。本研究以工业三废之一的粉煤灰为原料，通过接枝聚合对粉煤灰表面进行改性，使其表面活性增强，提升矿物水泥基细粉物料的分散性能，在混凝土施工中，浆体拌合物的丰富度得到提高，从而使其表观流动性得以改善；另外，借助晶格畸变，水化反应进行的更充分，凝胶数量增加后，促使胶状膜层的形成，混凝土相界面粘结结构性质得到改善，材料物相之间相容性不好的问题得以解决，为提高水泥基复合材料的综合性能奠定基础。

1 试验部分

1.1 试验原料及仪器

试验原料包括：3-丙基三甲氧基硅烷（KH570）、聚乙二醇单甲醚、丙烯酸、对甲苯磺酸、对苯二酚、过硫酸铵、聚羧酸系高性能减水剂、氢氧化钠、无水乙醇、水泥、粉煤灰。

试验仪器：恒温磁力搅拌器、高速离心机、低速离心机，水泥净浆搅拌机、水泥胶浆搅拌机，压力试验机、微机液压万能试验机。

1.2 粉煤灰的除杂活化

为了能更好地满足实验要求，避免不必要的干扰影响试验结果，必须除去粉煤灰中的有机、无机杂质。操作过程为：将称取的一定量的粉煤灰置于烧杯中，然后缓慢加入适量无水乙醇，充分搅拌混匀后，对其进行超声除杂处理30 min，然后再对超声除杂产物进行高速离心分离操作，上述操作重复进行2次。将上述步骤得到的粉煤灰用蒸馏水加以溶解，充分搅拌后，对其进行进一步地超声除杂处理30 min，然后再对超声除杂产物进行低速离心操作分离，上述操作重复进行2次。产物在真空干燥箱中干燥后，得到预处理粉煤灰备用。

1.3 粉煤灰的表面羟基化

配制质量分数25%的NaOH溶液500 mL，向NaOH溶液中缓慢倒入500 g预处理粉煤灰，充分搅拌均匀，真空抽滤后，用蒸馏水进行洗涤，制得碱液处理后的粉煤灰；配制质量分数15%稀H2S04溶液500 mL，向H2S04溶液中缓慢加入碱液处理后的粉煤灰，充分搅拌均匀，真空抽滤后,用蒸馏水进行洗涤。真空干燥器干燥后，制得到羟基化粉煤灰备用。

1.4 粉煤灰的偶联改性

在500 mL三口烧瓶中，按比例依次加入羟基化粉煤灰、KH570、甲苯、对苯二酚，搅拌充分，加热到75～85 ℃，反应6 h后，冷却降温至室温；低速离心操作分离，以甲苯为溶剂进行洗涤；重复操作2次。真空干燥器箱内干燥后，得到有机硅烷偶联剂KH570偶联改性粉煤灰备用。

1.5 聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯(MPA)的制备

将聚乙二醇单甲醚和丙烯酸按摩尔比为3:1的比例缓慢加入500 mL三口烧瓶中，甲苯作为溶剂，对苯二酚为阻聚剂，对甲苯磺酸为催化剂，95～100℃下反应回流6 h，对反应产物进行减压蒸馏处理，即可得到聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯(MPA)单体，真空干燥备用。

1.6 粉煤灰接枝改性

向500 mL三口烧瓶中加入一定量的偶联改性粉煤灰和去离子后，启动搅拌，分别滴加单体MPA水溶液和引发剂APS水溶液，控制滴加时间为1～2 h、反应温度控制在75～85 ℃，滴加完毕后，继续保持反应1 h。低速离心操作分离，用蒸馏水进行洗涤；重复操作2次。真空干燥箱干燥后，即得MPA改性(羟基化、偶联、接枝)粉煤灰。

2 结果与讨论

2.1 MPA改性粉煤灰的水泥净浆流动度实验

按GB8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》测试聚合物MPA接枝改性粉煤灰的水泥净浆流动度，测试聚合物MPA接枝改性粉煤灰的水泥适应性，以MPA接枝改性粉煤灰在胶凝材料中所占比重为变化参数，探讨MPA接枝改性粉煤灰的水泥适应性情况和变化规律。其中，水泥采用 P.O42.5号，减水剂为标准型，拌合用水为自来水，胶凝材料300 g，水胶比控制为0.29，减水剂掺量为0.5%，试验结果如图1所示。

图1 未改性与MPA改性粉煤灰净浆流动度对比Fig.1 Comparison of cement net fluidity between unmodified and MPA-modified fly ash

由图1中可以看出，与未改性粉煤灰相比，水泥净浆流动度得以提升，证明改性以后的粉煤灰有较好的适应性。这是因为，在用水量和减水剂掺加量保持不变的情况下，在粉煤灰表面，存在的聚合物MPA大分子起到表面活性剂作用，使浆体的流动性在一定程度上获得增加。同时，由图1看出，当胶凝材料中MPA改性粉煤灰用量为20%时，这种效果基本达到最佳，以后，随着MPA改性粉煤灰占胶凝材料比重增加，浆体流动性效果变化不明显。

2.2 MPA改性粉煤灰的水泥胶砂流动度实验

按GB8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》测试聚合物MPA接枝改性粉煤灰的水泥的水泥胶砂流动度，测定聚合物MPA接枝改性粉煤灰的胶砂适应性，以MPA接枝改性粉煤灰在胶凝材料中所占比重为变化参数，探讨MPA接枝改性粉煤灰的胶砂适应性情况和其变化规律。其中，水泥采用P.O42.5号，标准砂采购于陕西波特兰电子科技有限责任公司，拌合用水为自来水，胶凝材料450 g，标准砂1 350 g，水胶比0.5，试验结果如图2所示。

图2 未改性与MPA改性粉煤灰胶砂流动度对比Fig.1 Comparison of mortar fluidity between unmodified and MPA-modified fly ash

由图2可以看出，与未改性粉煤灰相比，水泥的胶砂流动度得以提升，胶砂有较好的适应性。这是因为，在用水量和减水剂掺加量保持不变的情况下，在粉煤灰表面，存在的聚合物MPA大分子起到表面活性作用，浆体的流动性在一定程度上得以增加。同时，由图2看出，当胶凝材料中MPA改性的粉煤灰用量为20%时，这种效果基本达到最佳，以后，随着MPA改性粉煤灰占胶凝材料比重增加，胶砂流动性效果变化不明显。

2.3 MPA改性粉煤灰的混凝土工作性能及抗压、抗折试验

按GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》测试混凝土工作性能及抗压、抗折强度。以MPA接枝改性粉煤灰占胶凝材料的比重为变化参数，探讨MPA接枝改性粉煤灰对混凝土工作性能以及抗压、抗折强度的提升情况和其变化规律。其中，水泥采用P.O42.5号，砂为河沙，石子为鄂破碎石，减水剂为标准型，拌合用水采用自来水，具体试验数据见表1。

表1 未改性与MPA改性粉煤灰混凝土工作性能及抗折、抗压强度对比Table 1 Comparison of concrete working performance、flexural and compressivestrength between unmodified and MPA-modified fly ash

由表1可知，在混凝土中掺加MPA接枝改性粉煤灰后，混凝土工作性能得到提升，28 d抗折、抗压强度均有所增加。当凝胶材料中聚合物MPA改性粉煤灰用量为7.5%时，抗折与抗压强度到达最高。这是因为，一方面，MPA改性粉煤灰在二次水化过程中，生成了凝胶，混凝土界面结构得到改善，相界面作用力增强；另一方面，在水泥浆体的连续相内，均匀地分散着改性粉煤灰颗粒，硬化过程中形成胶状膜层，由于其在硬化混凝土中的均匀分布，使得硬化混凝土中的天然缺陷和微小裂缝得以填充，并且，这些胶状膜层抗变形能力和抗拉强度较好。总之，由于混凝土中PMA改性粉煤的加入，使得混凝土的骨料-凝胶界面粘结结构改善，进而提高了混凝土的抗折与抗压强度。

3 结 论

粉煤灰通过酸碱溶液进行表面羟基化处理、与有机硅烷偶联剂KH570交联改性，最后与聚合单体聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯(MPA)进行接枝聚合得到粉煤灰接枝聚合产物。水泥的净浆流动度和胶砂流动度试验证明：改性后的粉煤灰适应性与未改性前相比，其适应性得到显著提高；混凝土试验证明：改性后的粉煤灰工作性能良好，在混凝土中掺加MPA接枝改性粉煤灰后，混凝土工作性能得到提升，28 d抗折、抗压强度均有所增加。当凝胶材料中聚合物MPA改性粉煤灰用量为7.5%时，抗折与抗压强度到达最高。

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Study on Synthesis and Applications of MPA-modified Fly Ash

WANG Jun-xia,BAI Shi-cheng

（Yan’an Vocational and Technical College, Shaanxi Yan’an 716000，China）

Fly ash graft polymerization product was prepared by introducing hydroxyl groups on the surface of fly ash, treating it with organic siloxane modified agent and graft polymerization with polyethylene glycol monomethyl ether acrylate(PMA). The experiments of net fluidity and mortar fluidity of cement showed that the adaptability of modified fly ash was improved significantly; Concrete experiments showed that working performance of the modified fly ash was good; after mixing it into concrete, 28d compressive strength of concrete was enhanced.

Fly ash; Cement based composite; Polymer modification; Compressive strength

U214.1+8

A

1671-0460（2017）04-0655-03

2017-02-28

珺王 霞（1974-），女，陕西省洛川市人，讲师，研究方向：主要从事建筑工程管理和建筑CAD教学工作。E-mail：916718760@qq.com。