现代混凝土生产的化学技术外文翻译资料

 2022-03-24 10:03

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现代混凝土生产的化学技术

摘要

在现代的时代背景下，能源资源有限和生态退化问题是可持续的工业化和城市化的障碍。在这种情况下，混凝土作为被最广泛采用的用以支持土木结构系统的建筑材料，其大量的生产消耗了全球的能源资源，对生态环境产生了负面的影响，需要认真对待。现代混凝土生产不仅要生产高性能材料，还要更加生态节能。外加剂等化学品的使用被认为是满足现代混凝土生产的需要，提高能源效率和减少碳排放的最为突出的方法。化学外加剂通常在粉碎阶段被添加到水泥中，与其他混凝土成分混合在一起。在目前情况下，混凝土需求增加的势头助长了能源需求，并在全球范围内形成了大规模蔓延的负面生态影响。本研究旨在确定用于现代和未来混凝土生产的外加剂化学技术的转变和展望。本研究讨论的观点可以帮助制定混凝土外加剂未来发展的研究需求。

copy;2017 作者. Published 由Elsevier Ltd.出版。这是 CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章。

同行评审由MBMST 2016组委会负责

关键词：聚合物; 聚羧酸酯醚;化工; 外加剂; 掺合料; 水泥; 混凝土。

1.介绍

混凝土是最常用和可行的建筑材料，它们的生产过程需要改进，以适应现代全球能源和生态环境保护的问题。混凝土生产被认为是全球能源需求和生态退化问题最重要的原因之一。讨论这些问题不能与作为混凝土的主要粘结剂组成部分的水泥的生产分开。事实上，主要问题在于水泥中主要成分熟料的生产。其生产释放出大量的二氧化碳，并且在烧结过程中需要大量的能量。大约5% - 7%的全球二氧化碳当量来自水泥生产[1,2]。在后期阶段，熟料与其他成分(如石膏和辅助胶凝材料)的粉碎过程也需要大量的能量。这种水泥粉碎过程消耗的能源大约等于生产一吨水泥能耗的三分之一[3]。在这一时期，预计未来的建筑材料没有比混凝土更可行的选择，因此需要努力提高混凝土生产的生态方面和能源效率[2]，特别是在水泥熟料生产消耗能源方面。

这些努力包括在水泥生产设备上的改进，通过调整颗粒大小分布(PSD)和辅助胶凝材料(SCM)的使用来优化水泥和混凝土混合物的组成。这些努力的结果可以通过进一步相对简单的补充化学品的方式得到显著的加强。在现代实践中，化学品被用作添加剂和外加剂。为了减少不必要的能源消耗，水泥助磨剂（CGA）是在粉碎过程中添加小剂量的化学添加剂，这些化学添加剂的质量含量通常在数百ppm的数量级。此外，CGA的使用可以提高水化水泥的性能，这可能是由于更好的PSD、化学影响或这些两者都有。在这种情况下，水泥中最具有化学活性成分的熟料可以用SCM代替。在大多数国家，水泥的性能要求是国家标准化的，符合标准的创新通常是在生产过程中进行的，如降低熟料消耗和能源，这也是成本效益。在混凝土生产过程中，掺加了较多的化学添加剂，但仍在水泥重量的百分之几之内。常用的化学添加剂减水剂对水泥熟料和水的比例影响较大，它可以使混凝土生产中的水灰比(w/c)降低。低w/c可以生产性能更好、强度高、耐久性高的混凝土，水泥含量相对较低，因此水泥熟料含量较低。水泥颗粒团聚体的分散是CGA和减水剂的主要特点。水泥粉碎过程中的团聚颗粒通过基于尺寸的分离器被检测为大颗粒，导致过度研磨并降低过程效率。在混凝土生产过程中，聚集在颗粒内的水导致混凝土流化的水分更少。 在这种情况下，为了达到可施工性，不必要的过量水会对水泥混凝土的性能产生不利影响。

本研究的目的是对过去、现在和将来的混凝土生产过程中化学品的作用进行评估。讨论的范围是CGA和减水剂。在此基础上，对CGA和减水剂技术改造的历史进行了文献综述，重点介绍了聚羧酸(PCE)的研究进展。在此基础上，提出了未来混凝土生产的化学系统展望，并提出了现实的建议。

2. 化学工艺的转变

减水化学外加剂的发展历史始于20世纪30年代中期为解决混凝土碳排放问题所做出的努力[4]。Dewey和Almy提出将碳分散到混凝土中做分散剂使用，也可以作为水泥的分散剂[4]。后来被称为TDATM，该产品已获得专利，并被认为是化学添加剂减水剂的先锋[4]。在这一发明之后，大量的减水剂产品出现，众所周知的和广泛使用的化学物质，如木质素、萘和三聚氰胺[5,6]。PCE于1981年引入[7]，并获得了广泛的认可。一般而言，PCE的性能优于传统的超增塑剂[8]。PCE的更重要优点是其分子结构可以被修改[5]，以调整其对混凝土的影响并适应不相容问题。

1933年7月，获得专利的TDATM首次作为水泥外加剂在哈德逊纽约的通用阿特拉斯工厂进行测试[4]。该试验表明TDATM对水泥生产速度和质量的改善有明显的好处[4]。从那时起，大量的化学外加剂被命名为CGA，用于水泥生产中使用。众所周知，CGA的化学成分是烷基、乙二醇、胺或氨基醇[9,10]。近年来在水泥添加剂体系中发现了PCE技术。在PCE上接枝化学物质烷基、乙二醇、胺或氨基醇，可以增强系统综合化学性能[9,11-13]。

经典理论中，传统或常规化学品经常用于讨论区分非PCE与PCE化学品[12,14]。 在这项研究中使用了常规化学品的术语。 PCE本身根据分子元素分为常规和非常规PCE。

3.聚羧酸PCE

3.1常规分子结构

常规PCE通常由具有吸附线性阴离子主链（通常为聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯）的梳状共聚物结构组成，其具有羧酸酯基团作为主链与醚基连接至含有甲氧基链的非吸附侧链（通常为聚环氧乙烷）[12，15]。 图1显示了传统PCE的典型结构。 图1和本研究中使用的符号遵循由Gay和Raphaeuml;l模型[16]介绍的用于梳状均聚物的符号，并由Flatt等人[17]对梳状共聚物进行了扩展[12]。 在这个符号中，n是聚合物中侧链的数量，P是侧链中单体的数量，N是每侧骨架单体的数量[12]。 其他类型的PCE可以通过分子结构修饰得到。水泥 - 水体系中PCE骨架主要通过静电相互作用吸附在水泥表面，而侧链不吸附导致空间位阻[18]。 在高pH值环境下，水合水泥上PCE去质子化的羧酸根基团在水中解离，沿PCE骨架提供负电荷，而PEO侧链是中性的[8]。 带负电荷的羧基与水泥颗粒或水合产物表面上的Ca2 离子偶合[8]。 聚环氧乙烷（PEO）基团提供了电子云的不均匀分布，这导致了侧链的化学极性。PCE减水剂性能的提高通常是由于侧链排斥水泥颗粒而产生的空间位阻[19]。 PCE吸附在水泥颗粒上，并通过静电排斥和空间位阻作用实现分散效果[6]。

3.2 兼容性

由于PCE的减水剂的性能可能受到单个水泥颗粒[20]以及其他因素的严重影响，能与PCE分子的分子构型提供最佳空间匹配的表面类型的物质将吸引更多的PCE [21]，这种吸附偏向是PCE - 水泥/混凝土体系不兼容的主要原因。已有研究具有更多竞争优势的PCE吸附水泥的种类。 PCE对硅粉具有优先吸附[21]。大量的高炉矿渣会降低流动性保持率但是会提高强度[22]。众所周知，PCE通过它们的侧链PEO侧链很容易地进入粘土的层状结构，因此它们在混凝土中的分散能力受到粘土杂质的阻碍[23]。游离硫酸根阴离子与PCE竞争占据水泥上的正电荷锚定点[24]。据报道，PCE与黏度改性剂(VMA)具有吸附竞争能力，如聚乙烯醇(PVA)与PCE[25]和N-二甲基丙烯酰胺(NNDMA)[24]。在一般的混凝土生产中，PCE会延长凝结时间[26]并增加引气性。[6]。

3.3 设计

已有对常规基于PCE的减水剂的分子结构的改进以增加兼容性和功能性的报道。据报道，由马来酸酐和4-羟基丁基乙烯基醚合成的改性乙烯基醚PCE具有更高的粘土耐受性[15]。通过用MA-beta;-CD部分取代PEO单体而合成的具有更高含量的beta;-环糊精的PCE对高岭土更耐受[27]。发现PCE接枝MA水解成羧基和羟基，可抑制水泥浆体的水化[28]。亲水 - 亲油平衡（HLB）值，PCE分子中亲水性和亲脂性部分之间的平衡决定了它们对混凝土塑性粘度（粘性）的影响，HLB值越高，塑性粘度越低[29]。烯丙基醚 - 马来酸基PCE具有比甲基丙烯酸酯和乙烯基醚更高的HLB值，使混凝土粘度降低[29]。通过丙烯酸，异丁烯基聚乙二醇和星形可聚合活性中心通过多元醇与AA之间的酯化反应制备出具有星形结构的PCE，表现出较好的吸附行为和流动性效应 [30]。 PCE对流动性的影响与吸附量密切相关[31]。从动力学和热力学的角度来看，分子量更大的PCE会导致更大的吸附量[31]。PCE -石墨烯氧化物纳米片(GON)是由与PC的单体(如甲基丙烯酸、烯丙基磺酸钠)和甲基丙烯酸酯聚氧乙烯醚共聚法制备的复合材料[32]。

3.4 CGA应用

PCE分子在水泥颗粒表面上的分散和吸附被认为主要通过表面接触而不是基于PCE低活力的气相转移而发生，并且其分解温度超过水泥粉碎环境温度的150℃以上[12,14]。 表1显示了基于Mishra等人的分子模拟研究[12]PCE物理结构吸附能量对C3S表面的影响。

以C3S为代表的水泥的分子模拟研究表明，含有羧酸根基团和聚醚侧链的PCE的主链吸附在干燥的C3S表面[14]。分支阻止整个PCE分子的平坦吸附，但由聚环氧乙烷链组成的线性分子可能用于完全平坦吸附[14]。如果分支使平面吸附不可能或聚合物链长度很长[14]，则会产生特定的空间效应。在C3S表面上吸附PCE主要是由于静电相互作用，范德华相互作用可忽略 [12]。 C3S的钙离子往往附着在PCE上（在一定程度上它被C3S的表面排斥），并且由于PCE的吸附，C3S表面的顶部稍微重建[12]。另一种观察是硅酸盐离子从C3S表面出来[12]。简而言之，吸附的PCE分子的极性侧面部分地补偿了表面的极性表面，并通过其非极性亚烷基的屏蔽效应将其降低[14]。因此，颗粒之间的吸引力随着表面极性的下降而下降，因此聚集形成的趋势由于空间效应而最小化[14]。 PCE分子在研磨过程中基本保持完整，在混凝土搅拌过程中PCE的减水效果显著[14,33]。

3.5评论

基于CGA的PCE的减水剂的开发是为了解决已确定的相容性，提高PCE性能，并提供更多的CGA的减水剂的功能。此外，PCE包括工业产品本身的发展也开始将注意力集中在生态方面。所有这些方向都可以预期在未来产生更少生态影响同时提供更有效的混凝土。

4.化学前景

全球的混凝土行业正面临着更加复杂的性能和更低的成本要求， 同时，有限的资源以及生态限制也带来了更多挑战。高性能产品生产过程中的需要优化有限资源和生态保护之间的协调。 正如Damtoft等人所讨论的那样[35]，对这些挑战的重大举措可能包括：引入低能熟料和降低熟料含量，以降低由SCM取代的水泥，优化混凝土组成，降低水泥含量，开发混凝土回收和多功能 混凝土建筑材料。 水泥和混凝土中熟料部分的减少已被确定为有效的方法，并将仍然是一个关键的优先事项[36]。作为WBCSD水泥可持续发展倡议组织成员的主要跨国水泥行业承诺，2015年实现全球水球平均水泥熟料比例为73％，这是2050年每单位重量水泥的二氧化碳排放量为2006年的一半的主要实现途径之一[37]。 2006年，水泥中全球平均熟料份额为79％，主要供应的是高炉矿渣，粉煤灰，天然火山灰，稻壳灰，硅粉，人造火山灰和石灰石[37]。 在混凝土生产中，SCM的使用也是水泥（熟料）减少的常用方法[38-41]。 在资源约束下，由于资源选择有限，不断增长的具体需求和水泥生产以及熟料部分削减的要求将导致使用的SCM的种类差异和特征不一致。这些也应该意识到，在SCM的有限资源中，石灰石是SCM的有前途的来源，因为它们在大多数水泥厂中很容易获得。然而，石灰石被认为是相对惰性的水泥水合物，与火山灰材料相比，增加石灰石的额外部分将是对性能的巨大挑战。

在所有努力减少熟料部分的情况下，CGA和减水剂仍然是主要的化学物质，因为这两种作用对水泥的更精细的研磨和混凝土的低w/c都有很大的好处。因此，由于对使用的SCM的各种类型和不一致的特点的预期，我们可能会开始探索更先进的化学品的快速系统，在目前的实践中，对材料-化学-性能匹配过程进行了大量的艰苦试验。这些快速过程的描述步骤包括对水泥或混凝土化学成分进行检查的初始阶段，在后期阶段与高度可定制的CGA和减水剂相匹配。虽然化学成分的快速检查是可

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