醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑的研究與應(yīng)用

吳長(zhǎng)龍，辛德勝，王躍松，荀武舉，張 煒，姜海剛

醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑的研究與應(yīng)用

吳長(zhǎng)龍，辛德勝，王躍松，荀武舉，張 煒，姜海剛

（大連市建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司，遼寧 大連 116021）

按照分子設(shè)計(jì)和正交實(shí)驗(yàn)的方法，采用甲基烯丙基聚醚單體，與其他小分子單體進(jìn)行自由基聚合，合成具有不同分子結(jié)構(gòu)的醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑。研究結(jié)果表明,最佳聚合工藝參數(shù)為：丙烯酸與甲基烯丙基聚醚的摩爾比為3.5，引發(fā)劑用量為0.5%,溫度為70 ℃。使用合成的樣品進(jìn)行了水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土實(shí)驗(yàn)。該合成樣品經(jīng)工業(yè)放大和復(fù)配后的產(chǎn)品DK-PC聚羧酸高性能減水劑已應(yīng)用于實(shí)際工程，效果良好。

醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑；分子設(shè)計(jì)；自由基聚合；甲基烯丙基聚醚

傳統(tǒng)減水劑（如木質(zhì)素磺酸鹽和萘系減水劑）存在減水率不高,新拌混凝土坍落度損失過(guò)快等問(wèn)題,難以滿足高性能混凝土發(fā)展的要求，聚羧酸系高性能減水劑具有摻量低、減水率高、混凝土坍落度損失小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為國(guó)內(nèi)外混凝土減水劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-6]。本文采用一步法合成工藝，由甲基烯丙基聚醚單體、丙烯酸等進(jìn)行自由基聚合，合成醚類(lèi)聚羧酸系高性能聚羧酸減水劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原材料

丙烯酸（AA），化學(xué)純；甲基烯丙基聚醚（J20），工業(yè)品；過(guò)硫酸鉀（APS），分析純；去離子水，工業(yè)品；氫氧化鈉，分析純。

1.2 主要儀器及設(shè)備

（1）玻璃儀器

四口燒瓶、溫度計(jì)、回流冷凝管、玻璃棒、燒杯、容量瓶、錐形瓶、吸管、滴液漏斗等。

（2）主要設(shè)備

DF-101S集熱式磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；JJ-1型電動(dòng)攪拌器，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司；水泥凈漿攪拌機(jī)，滄州智晟試驗(yàn)儀器廠；行星式水泥膠砂攪拌機(jī)，沈陽(yáng)市建工儀器廠；101-2電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京中克試驗(yàn)儀器廠；HJW-30型砼攪拌機(jī)，上海力盾電氣有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑的合成

往四口燒瓶中加入計(jì)量的去離子水，甲基烯丙基聚醚，加熱到一定溫度，同時(shí)滴加丙烯酸水溶液和過(guò)硫酸鉀水溶液，滴加完后保溫2～3 h。反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)好的聚合物降溫至 50 ℃以下，邊攪拌邊加入定量的30%堿液，調(diào)節(jié)pH值=7～8，得到一系列醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑。

1.3.2 產(chǎn)品性能測(cè)試

按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中規(guī)定的方法分別測(cè)定水泥凈漿流動(dòng)度和水泥砂漿減水率；按GB 8076—1997《混凝土外加劑》中規(guī)定的試驗(yàn)方法分別測(cè)定混凝土坍落度和混凝土抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑的合成

選用甲基烯丙基聚醚（下簡(jiǎn)稱(chēng)J20）、丙烯酸等小分子單體，選擇AA/J20（丙烯酸與J20的摩爾比）、APS%（引發(fā)劑用量）、T（溫度）為因素，保持濃度、投料方式不變，選取 L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表 1，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)各因素對(duì)減水劑性能的影響，確定最佳配合比。采用小野田 P.O42.5，W/C=0.27，聚羧酸減水劑摻量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.24% (以固含量計(jì))

由表 1極差分析結(jié)果可以看出,APS%(引發(fā)劑用量)對(duì)醚類(lèi)聚羧酸減水劑的分散性能影響最大，其次是T（反應(yīng)溫度），AA/J20（丙烯酸與J20的摩爾比）對(duì)醚類(lèi)聚羧酸減水劑的分散性能影響最小。從正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步確定M8為最佳組合，即丙烯酸與J20的摩爾比為 3.5, 引發(fā)劑用量為0.5%，溫度為70 ℃。

2.2 聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用研究

使用合成的M8樣品進(jìn)行了大量水泥凈漿、水泥砂漿、混凝土實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。

2.2.1 聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿的影響

采用大連地區(qū)4種P.O32.5水泥，W/C=0.27，聚羧酸減水劑M8的摻量為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.24%(以固體計(jì)),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。從表 2可以看出,M8對(duì)4種水泥都有較好的適應(yīng)性。

2.2.2 聚羧酸系減水劑對(duì)水泥砂漿的影響

由表3可以看出，隨著摻量的增加,M8在水泥砂漿中的減水率也逐漸提高,當(dāng)摻量為0.5%時(shí),減水率達(dá)到36.6%。

2.2.3 聚羧酸系減水劑對(duì)混凝土的影響

由表4可以看出，隨著M8摻量的增加,混凝土的用水量逐漸減少，當(dāng)M8摻量為0.25%以上時(shí),混凝土坍落度1 h無(wú)損失,而且摻M8混凝土抗壓強(qiáng)度較空白有很大提高，3天抗壓強(qiáng)度可提高200%，28天抗壓強(qiáng)度可提高100%。

表1 各因素對(duì)聚羧酸減水劑聚合工藝的影響Table 1 Effects of every factors on polymerization process of polycarboxylic acid type high-performance water-reducing agent

表2 摻聚羧酸系減水劑的水泥凈漿試驗(yàn)Table 2 Experiments of cement paste of Polycarboxylic acid superplastic agent

表3 摻聚羧酸減水劑的水泥砂漿試驗(yàn)Table 3 Experiments of cement mortar of Polycarboxylic acid superplastic agent

2.3 工業(yè)化生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用

2.3.1 工業(yè)化生產(chǎn)

基于以上研究結(jié)果，使用5 000 L反應(yīng)釜對(duì)M8樣品進(jìn)行工業(yè)放大生產(chǎn)，生產(chǎn)情況如表5。

表5數(shù)據(jù)說(shuō)明，工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品與實(shí)驗(yàn)室小試樣品基本一致，生產(chǎn)工藝基本穩(wěn)定。

表4 摻聚羧酸減水劑的混凝土試驗(yàn)Table 4 Experiments of concrete of Polycarboxylic acid superplastic agent

表5 聚羧酸減水劑生產(chǎn)情況Table 5 The production status of polycarboxylic acid superplastic agent

2.3.2 實(shí)際應(yīng)用

使用合成樣品（M8）工業(yè)放大和復(fù)配后的產(chǎn)品（即DK-PC聚羧酸高性能減水劑），先后在大連市多家商品混凝土攪拌站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在大連市一些重點(diǎn)工程中應(yīng)用。

（1）大連中心.裕景項(xiàng)目

大連中心?裕景項(xiàng)目是目前為止大連最大的商業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目，總建筑面積約80 萬(wàn)m2，總占地約6.23萬(wàn)m2，項(xiàng)目計(jì)劃總投資約60多億元。項(xiàng)目由五棟高層和部分商業(yè)裙樓構(gòu)成。混凝土等級(jí)：C60。目前該工程已應(yīng)用DK-PC聚羧酸高性能減水劑15 t，使用效果良好，并將繼續(xù)使用。

（2）大連市地鐵工程

大連市地鐵工程是大連有史以來(lái)最大的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程，按照規(guī)劃,大連市地鐵工程線路總長(zhǎng) 67.62 km,共設(shè) 50座車(chē)站。工程估算總投資287.38億元。混凝土等級(jí)：C40。目前該工程已應(yīng)用DK-PC聚羧酸高性能減水劑10 t，使用效果良好，并將繼續(xù)使用。

3 結(jié) 論

（1）選用甲基烯丙基聚醚（J20）、丙烯酸等小分子單體合成醚類(lèi)聚羧酸高性能減水劑，確定最佳聚合工藝參數(shù)為：丙烯酸與J20的摩爾比為3.5、引發(fā)劑用量為0.5%,溫度為70 ℃。

（2）通過(guò)水泥凈漿、砂漿和混凝土實(shí)驗(yàn)，表明自制的醚類(lèi)聚羧酸系高性能減水劑（M8）具有低摻量、減水率高、水泥適應(yīng)性廣、保坍性好、增強(qiáng)效果好等突出優(yōu)點(diǎn)。

（3）經(jīng)工業(yè)放大合成和復(fù)配的DK-PC聚羧酸高性能減水劑產(chǎn)品具有產(chǎn)品穩(wěn)定性好、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)過(guò)程環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)用過(guò)程中可以滿足高性能混凝土生產(chǎn)的要求。

[1] 馬保國(guó),譚洪波,潘偉,等.聚羧酸系混凝土減水劑合成工藝及性能研究[J].新型建筑材料, 2007(6)：48-50.

[2] 李崇智，馮乃謙，王棟民，等.梳狀聚羧酸系減水劑的制備、表征及其作用機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33(1)：87-92.

[3] 壽崇琦,康杰分,宋南京,等.含不飽和聚醚的新型羧酸類(lèi)減水劑的合成與應(yīng)用[J].混凝土, 2007(1):59-63.

[4] 姜玉,龐浩,廖兵.聚醚側(cè)鏈聚羧酸類(lèi)減水劑的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用性能[J].化工進(jìn)展, 2008, 27(5):733-735.

[5] 沈軍,傅樂(lè)峰,馮中軍,等.聚醚基超塑化劑的合成及性能研究[J].混凝土, 2005(6):61-64.

[6] 萬(wàn)朝均.超高強(qiáng)高性能混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21(1)：49-51.

Research and Application of Ether Polycarboxylic Acid Type High Performance Water-Reducing Agent

WU Chang-long，XIN De-sheng，WANG Yue-song，XUN Wu-jv，ZHANG Wei，JIANG Hai-gang
(Dalian Architectural Science Research ＆Designing Institute Co.Ltd，Liaoning Dalian 116021，China）

According to the molecular design and orthogonal experiment, ether polycarboxylic acid type high performance cluster water-reducing agent with different molecular structure was synthesized by radical polymerization of methyl allylic polyether monomer and other small molecule monomers. The results show that the optimum polymerization conditions are as follows： mole ratio of crylic acid to methyl allylic polyether 3.5, initiator dosage 0.5%, temperature 70 ℃. The synthesized samples were used to perform experiments of cement paste,cement mortar and concrete. Polycarboxylic acid type high performance water-reducing agent DK-PC gained by industrialization enlarge experiment and compound has been applied to practical project and good results have been achieved.

Ether polycarboxylic acid type high-performance water-reducing agent；Molecular design；Radical polymerizetion；Methyl allylic polyether

TQ 216

A

1671-0460（2010）06-0617-03

2010-11-5

吳長(zhǎng)龍（1972-），男，高級(jí)工程師，碩士學(xué)位，遼寧大連人，1995年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學(xué)建筑材料專(zhuān)業(yè)，研究方向：從事建筑材料技術(shù)工作。E-mail：changlong.wu@263.net，電話：134 7858 3666。