一種天然高分子減水劑的性能研究

沈依勇，石從黎

（1.四川吉龍化學(xué)建材有限公司，彭山 620866；2.重慶市建筑科學(xué)研究院，重慶 400020）

1 引言

天然高分子是一種儲量豐富的可再生資源，化學(xué)性質(zhì)活潑，可以通過化學(xué)、物理手段進(jìn)行改性成為新的材料[1~2]。在當(dāng)今石化資源日益減少的背景下，如果能利用天然高分子來獲取混凝土外加劑，則發(fā)展前景十分廣闊[3]。

本論文選擇玉米淀粉這類天然高分子材料，從玉米淀粉的化學(xué)性質(zhì)及高效減水劑作用機(jī)理出發(fā)，根據(jù)減水劑的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用烷基磺酸化、醚化、酯化等手段，在淀粉的分子結(jié)構(gòu)上引入親水性強(qiáng)的陰離子基團(tuán)，制備出一種以脫氧葡萄糖長鏈為憎水基，羥基和磺酸基為親水基的混凝土減水劑 ST，其分子結(jié)構(gòu)見圖 1 。本文從紅外光譜、凈漿流動度、減水率及強(qiáng)度等方面，對 ST 的性能進(jìn)行研究。

圖1 淀粉基高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 主要原材料

水泥：拉法基 P·O42.5 水泥，地維 P·O42.5 水泥，富豐P·O42.5 水泥，小南海 P·O42.5 水泥。

細(xì)集料：特細(xì)天然砂，細(xì)度模數(shù) 0.8，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.3。

粗集料：5～20mm 石灰?guī)r碎石。

減水劑：以玉米淀粉為原料制備的一種天然高分子減水劑 ST，某萘系高效減水劑 FDN。

2.2 試驗(yàn)方法

（1）紅外光譜，采用 Nicolet 公司的 KAGHA—IR550 型紅外光譜儀進(jìn)行測定。

（2）水泥凈漿性能測定，按照 GB8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中的相關(guān)方法進(jìn)行。

（3）混凝土性能的測定，按照 GB8076—2008《混凝土外加劑》的相關(guān)方法進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 ST的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 ST 的紅外光譜圖

ST 紅外光譜圖（圖 2）表明， 3600～3000cm-1處特征峰為羥基，1000～1200cm-1處為糖苷鍵，1352cm-1和 1119 cm-1分別是 -SO2-的不對稱和對稱伸縮振動峰，618cm-1則是S—O鍵的伸縮振動[4]，說明 ST 的微觀結(jié)構(gòu)，不僅保留了淀粉的特征官能團(tuán)羥基和糖苷，而且 -SO2-、S—O 鍵的存在證明了磺酸基的存在。

3.2 ST 對水泥的分散性及保持能力

ST 對水泥的分散性能明顯優(yōu)于萘系高效減水劑 FDN，見圖 3。而且當(dāng) ST 摻量小于 0.6% 時(shí)，凈漿流動度隨摻量增加變化較為顯著，當(dāng)摻量到達(dá) 0.6% 時(shí)，這種變化趨于平緩，說明 ST 摻量飽和點(diǎn)在 0.6%～0.8% 范圍。

圖3 ST 對水泥凈漿分散性的影響

此外，ST 在水泥分散性保持方面也非常突出，圖 4 的數(shù)據(jù)表明摻 ST 的水泥凈漿 120min 內(nèi)流動度基本沒有損失，顯著優(yōu)于 FDN。這是因?yàn)?ST 為天然高分子，分子量較大，能提供有效的空間位阻作用，同時(shí) ST 分子鏈上有羥基存在，能延緩水泥的水化作用，有利于水泥流動度的保持。

圖4 ST 對水泥凈漿流動度經(jīng)損失的影響

3.3 ST 對水泥的適應(yīng)性

試驗(yàn)選擇重慶預(yù)拌混凝土行業(yè)普遍使用的四種水泥進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，結(jié)果見表 1。摻入 ST 后，四種水泥的凈漿流動度相差不大，30min 流動度均增加，并且 60min 后流動度的損失也較小，說明 ST 對不同品種的普通水泥都具有很好的適應(yīng)性。

表1 ST 對不同水泥的適應(yīng)性 mm

3.4 ST 的砂漿減水率

減水率是 ST 作為減水劑使用的重要性能指標(biāo)，圖 5 對比了 ST 與萘系高效減水劑 FND 的砂漿減水率，結(jié)果表明 ST 的減水率顯著高于同摻量的 FDN。

圖5 ST 的砂漿減水率

3.5 ST 對混凝土強(qiáng)度的影響

由表 2 可以看出 ST 對混凝土的 28d 強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)作用，只是當(dāng)摻量較高時(shí)（大于等于 0.6%），對混凝土的早期強(qiáng)度有一定影響，這是由于 ST 分子鏈上含有大量羥基，對水泥有較強(qiáng)的緩凝作用。

表2 ST 的混凝土抗壓強(qiáng)度

4 結(jié)論

以淀粉為原料制備了一種天然高分子減水劑 ST。對于水泥和混凝土，ST 的適應(yīng)性、分散性及分散性保持能力好，并且 ST 的減水率高，能顯著提高混凝土的強(qiáng)度。

[1]Vieira M C, Klemm D, Einfeldt L, et al．Dispersing agents for cement based on modified polysaccharides [J]．Cement and Concrete Research,2005,35 (5):883- 890．

[2]Dong-Fang Zhang, Ben-Zhi Ju, Shu-Fen Zhang, Lu He, Jin-Zong Yang．The study on the dispersing mechanism of starch sulfonateas a water-reducing agent for cement[J]．Carbohydrate Polymers, 2007,70 :363–368.

[3]石從黎．淀粉基緩凝減水劑的制備及其性能研究[D].碩士學(xué)位論文[A]．重慶大學(xué)，14-15.

[4]吳俊，謝守和．微細(xì)化玉米淀粉粒中水的作用研究[J]．食品科學(xué)，2005,26(11):27-29.