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研究生: 江福泰
論文名稱: 兩性離子共聚物的合成以及作為混凝土化學摻料的可行性評估
指導教授: 許貫中
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 114
中文關鍵詞: 共聚物合成單體比例分子量流動性吸附
英文關鍵詞: copolymer, synthesis, monomer ratio, molecular weight, fluidity, adsorption
論文種類: 學術論文
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  • 強塑劑對高性能混凝土工作性有相當大的影響。本研究合成二種共聚物PDA和PAMD作為混凝土的分散劑。首先利用馬來酸酐和N,N-二甲基-1,3-丙二胺合成CDPA,再和氯醋酸鈉反應得到DAE,再和丙烯醯胺依不同比例行自由基聚合得到PDA。接著由2-丙烯醯胺-2-甲基丙烷磺酸( AMPSA )、甲基丙烯酸( MAA )與改質單體DAE依不同比例行自由基聚合得到PAMD。以FT-IR與1H-NMR鑑定合成之DAE、PDA和PAMD結構;利用GPC測定共聚物的分子量,電位滴定儀測定共聚物中單體比例。
    探討PDA、PAMD的單體比例、分子量對水泥漿的流動性與混凝土的工作性的影響,結果並與商用之磺酸系HPC-1000及羧酸系HP 100進行比較。研究結果顯示, 添加PDA( DAE :AAM = 1 : 5, Mw= 5.3 × 104 )的水泥漿體具有最佳之初始迷你坍度與坍度維持性,飽和劑量為0.8wt%。添加PAMD( AMPSA : MAA : DAE = 3 : 5 : 1, Mw= 4.9 × 104 )的水泥漿體具有最佳之初始迷你坍度與坍度維持性,飽和劑量為0.2%。

    The workability of high performance concrete is highly dependent on the addition of superplasticizer(SP). In this research, two kinds of copolymer,i.e., PDA and PAMD ,are synthesized. First, CDPA was prepared from maleic anhydride and N,N-dimethyl-1,3-propanediamine. Secondly,CDPA was reacted with Sodium chloroacetate to obtain DAE . Finally,DAE was reacted with acrylamide to obtain PDA.PAMD was prepared from 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid(AMPSA)、methacrylic acid (MAA), and DAE.The prepared monomer and polymer have been confirmed by their FT-IR and 1H-NMR spectra;the molecular weight of polymer was determined by the Gel Permeation Chromatography (GPC) and the reactant ratio of the polymer were determined by the titration method.
    The effects of the reactant ratio and molecular weight of PDA and PAMD on the fluidity of cement pastes and the workability of concretre were studied,and the results compared to those of the commercial superplasticizers, i.e. ; carboxylate-based(SP)( HP 100 ) and sulfonate-based(SP)( HPC-1000 ). The results indicate that the cement pastes with PDA ( DAE : AAM = 1 : 5, Mw = 5.3 × 104 )show the highest initial mini slump and the lowest slump loss ; the saturation dosage was 0.8wt% ; The cement pastes with PAMD ( AMPSA : MAA : DAE = 3 : 5 : 1,Mw = 4.9 × 104 )show the highest initial mini slump and the lowest slump loss ; the saturation dosage was 0.2wt%.

    第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 2 2.1 混凝土 2 2.2 水泥 3 2.1.1 卜特蘭水泥之成分 3 2.1.2 卜特蘭水泥之水化反應 4 2.3化學摻料對混凝土性質的影響 6 2.3.1摻料及強塑劑的定義 6 2.3.2 強塑劑之種類 9 2.3.3 強塑劑之作用機制 11 2.3.4 強塑劑之吸附行為 16 A. Langmuir等溫吸附曲線 17 B. 吸附模式 19 C. 文獻彙集 20 2.4水泥漿體流動性及維持性之影響因素 21 第三章 實驗方法 24 3.1 實驗流程 24 3.2 實驗計畫 24 3.3 實驗材料 27 3.4 實驗儀器 28 3.5 實驗方法 29 3.5.1 CDPA之合成 29 3.5.2單體DAE之合成 31 3.5.3 PDA之合成 31 3.5.4 PAMD之合成 32 3.5.5水泥漿體拌製 34 3.5.6水泥漿體迷你坍度與坍度維持測量 34 3.5.7水泥砂漿流度試驗 35 3.5.8混凝土拌製 36 3.6測量原理與分析 37 3.6.1紅外線(FT-IR)光譜分析 37 3.6.2核磁共振(NMR)光譜分析 37 3.6.3凝膠滲透層析(GPC)分析 38 3.6.4共聚物單體比例測定 39 3.6.5共聚物固含量測量 39 3.6.6 pH值測量 39 3.6.7產率測試 40 3.6.8水泥漿體吸附量與吸附行為測試 40 3.6.9混凝土抗壓強度測試 40 第四章 結果與討論 41 4.1 材料基本性質分析 41 4.1.1 CDPA之結構鑑定 41 4.1.2單體DAE之結構鑑定 43 4.1.3共聚物PDA之結構鑑定 45 4.1.4 PDA之單體比例鑑定 49 4.1.5共聚物PAMD之結構鑑定 53 4.1.6 PAMD之單體比例鑑定 56 4.2共聚物分子量對水泥漿體流動性之影響 63 4.2.1共聚物分子量對水泥漿體迷你坍度之影響 63 4.3共聚物單體比例對水泥漿體流動性之影響 71 4.3.1 PDA單體比例對水泥漿體迷你坍度之影響 71 4.3.2 PDA單體比例對水泥漿體迷你坍度維持之影響 72 4.3.3 PDA單體比例對水泥漿體吸附行為之影響 74 4.3.4 PAMD單體比例對水泥漿體迷你坍度之影響 80 4.3.5 PAMD單體比例對水泥漿體迷你坍度維持之影響 81 4.3.6 PAMD單體比例對水泥漿體吸附行為之影響 83 4.4共聚物對水泥漿、水泥砂漿流動性及混凝土工作性之影響 89 4.4.1各共聚物於水泥漿不同水灰比之比較 89 4.4.2聚合物對水泥漿迷你坍度之比較 97 4.4.3共聚物劑量對水泥砂漿流度影響 99 4.4.4 聚合物對水泥漿體吸附行為之比較 100 4.4.5 PDA5與PAMD3對混凝土工作度之比較 102 第五章 結 論 109 第六章 參考資料 111 圖 目 錄 圖2-1-1混凝土之定義及組成 2 圖2-2-1鈣礬石及單硫型鋁酸鈣 5 圖2-3-1 MLS的化學結構 9 圖2-3-2 SNF的化學結構 10 圖2-3-3 SMF的化學結構 10 圖2-3-4 PCA的化學結構 11 圖2-3-5 SPF的化學結構 11 圖2-3-6水份被水泥粒子束縛 12 圖2-3-7 電雙層 13 圖2-3-8 粒子間距離與位能之關係 14 圖 2-3-9 立體障礙排斥 15 圖2-3-10 強塑劑之分散機制位能圖 15 圖2-3-11 Langmuir等溫吸附曲線 18 圖2-3-12聚合物於粒子表面之吸附模式 19 圖3-1-1 實驗流程圖(一) 26 圖3-5-1 反應裝置圖 30 圖3-5-2 CDPA之合成 30 圖3-5-3單體DAE之合成 31 圖3-5-4 PDA之合成 32 圖3-5-5 PAMD之合成 33 圖3-5-6 迷你坍度錐 35 圖4-1-1 CDPA之化學結構 41 圖4-1-2 CDPA之FT-IR光譜圖 42 圖4-1-3 CDPA之1H-NMR光譜圖 43 圖4-1-4 DAE之化學結構 43 圖4-1-5 DAE之FT-IR光譜圖 44 圖4-1-6 DAE之1H-NMR光譜圖 45 圖4-1-7 PDA之化學結構 45 圖4-1-8 PDA之FT-IR光譜圖 46 圖4-1-9 PDA之1H-NMR光譜圖 47 圖4-1-10 PDA1之滴定曲線 50 圖4-1-11 PDA不同進料值之檢量線 51 圖4-1-12 PDA5之滴定曲線 51 圖4-1-13 PDA10之滴定曲線 52 圖4-1-14 PAMD之化學結構 53 圖4-1-15 PAMD之FT-IR光譜圖 54 圖4-1-16 PAMD之1H-NMR光譜圖 54 圖4-1-17 PAMD1之滴定曲線 57 圖4-1-18 PAMD不同進料值之檢量線 58 圖4-1-19 PAMD3之滴定曲線 58 圖4-1-20 PAMD5之滴定曲線 59 圖4-1-21 GPC之標準品校正曲線 60 圖4-1-22 PDA1系列之分子量分佈圖 61 圖4-1-23 PDA5之分子量分佈圖 61 圖4-1-24 PDA10系列之分子量分佈圖 62 圖4-2-1 PDA1的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 64 圖4-2-2 PDA5的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 65 圖4-2-3 PDA10的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 65 圖4-2-4 PDA劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 0-min ) 66 圖4-2-5 PDA劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 60-min ) 66 圖4-2-6 PMD1的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 68 圖4-2-7 PMD5的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 68 圖4-2-8 PMD10的分子量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響 69 圖4-2-9 PAMD的劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 0-min ) 69 圖4-2-10 PAMD的劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 60-min ) 70 圖4-3-1 PDA劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 0-min ) 71 圖4-3-2 PDA的羧酸根含量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 0-min ) 72 圖4-3-3 PDA系列劑量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 60-min ) 73 圖4-3-4 PDA的羧酸根含量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 60-min ) 73 圖 4-3-5 PDA1(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 76 圖 4-3-6 PDA1分子量在水泥表面的吸附比率 76 圖 4-3-7 PDA5(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 77 圖 4-3-8 PDA5分子量在水泥表面的吸附比率 77 圖 4-3-9 PDA10(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 78 圖 4-3-10 PDA10分子量在水泥表面的吸附比率 78 圖4-3-11不同單體比例的PDA(W/C=0.6;SP = 0.5wt%)在水泥粒子上的吸附量 79 圖4-3-12不同單體比例的PAMD之水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度( 0-min ) 80 圖4-3-13 PAMD的羧酸根含量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 0-min ) 81 圖4-3-14 4-3-14不同單體比例的PAMD對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度 ( 60-min ) 82 圖4-3-15 PAMD的羧酸根含量對水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的影響( 60-min ) 82 圖 4-3-16 PAMD1(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 85 圖 4-3-17 PAMD1分子量在水泥表面的吸附比率 85 圖 4-3-18 PAMD3(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 86 圖 4-3-19 PAMD3分子量在水泥表面的吸附比率 86 圖 4-3-20 PAMD5(W/C=0.6;SP/C=0.5wt%)在水泥表面的動態吸附圖 87 圖 4-3-21 PAMD5分子量在水泥表面的吸附比率 87 圖4-3-22不同單體比例的PAMD(W/C=0.6;SP = 0.5wt%)在水泥表面的吸附量 88 圖4-4-1 PDA5於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 91 圖4-4-2 PDA5於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 91 圖4-4-3 PAMD1於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 92 圖4-4-4 PAMD1於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 92 圖4-4-5 PAMD3於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 93 圖4-4-6 PAMD3於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 93 圖4-4-7 PAMD5於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 94 圖4-4-8 PAMD5於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 94 圖4-4-9 HPC-1000於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 95 圖4-4-10 HPC-1000於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 95 圖4-4-11 HP 100於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 0-min ) 96 圖4-4-12 HP 100於不同水灰比之水泥漿迷你坍度( 60-min ) 96 圖4-4-13聚合物劑量與水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的關係圖( 0-min ) 97 圖4-4-14聚合物劑量與水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度的關係圖( 60-min ) 98 圖4-4-15共聚物劑量與砂漿(W/C=0.485)流度的關係圖( 0-min ) 99 圖4-4-16共聚物劑量與砂漿(W/C=0.485)流度的關係圖( 60-min ) 100 圖4-4-17 PDA5和PAMD3在水泥粒子上的吸附量 101 圖4-4-18 PDA5和PAMD3之Ce/As對Ce之關係 125 圖4-4-19聚合物(W/C=0.6;SP = 0.5wt%)在水泥粒子上的吸附量 102 圖4-4-20 PDA5之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.54wt%) 106 圖4-4-21 PDA5之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.6wt%) 106 圖4-4-22 PAMD3之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.24wt%) 107 圖4-4-23 PAMD3之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.28wt%) 107 圖4-4-24 HPC-1000之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.8wt%) 108 圖4-4-25 HP 100之混凝土坍流度(0-min、60-min,SP=0.32wt%) 108 表 目 錄 表2-2-1 卜特蘭一型水泥之主要成份 3 表2-2-2卜特蘭水泥之主要成份水化反應數據 5 表2-3-1 ASTM C494 化學摻料型別及規範 7 表2-3-2化學摻料對混凝土的影響 8 表2-3-3 物理吸附與化學吸附之比較 17 表2-3-4相關文獻彙集 20 表3-5-1 混凝土組成配比 36 表4-1-1 PDA之代號與合成條件 48 表4-1-2 PDA不同單體比例羧酸根莫耳分率之理論進料值與實際出料值 52 表4-1-3 PAMD之代號與合成條件 55 表4-1-4 PAMD不同單體比例羧酸根莫耳分率之理論進料值與實際出料值 59 表4-2-1 PDA水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度 64 表4-2-2 PMD水泥漿(W/C = 0.3)迷你坍度 67 表4-4-1聚合物飽和劑量與迷你坍度,W/C = 0.3 98 表4-4-2添加不同劑量之水泥漿(W/C=0.3)迷你坍度 104 表4-4-3各共聚物於混凝土的坍流度及抗壓強度 105

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