聚羧酸減水劑的試驗(yàn)研究

廖國(guó)勝，艾 濤，肖 煜，潘 會(huì)

（武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，武漢 430065）

我國(guó)的混凝土工業(yè)日新月異，在混凝土技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，遇到了許多工程難題。其中的一個(gè)問(wèn)題就是，摻高效減水劑混凝土坍落度損失很快，直接影響了高效減水劑的應(yīng)用和發(fā)展。與傳統(tǒng)的減水劑一樣，聚羧酸系減水劑使用性能同樣受到水泥特性的影響［1］。目前，行業(yè)內(nèi)主要通過(guò)減水劑后摻法、與緩凝劑復(fù)合使用、降低混凝土出機(jī)溫度等途徑來(lái)解決混凝土的坍損問(wèn)題。但任何一種解決辦法都存在一些操作或技術(shù)上的困難，引起混凝土性能和質(zhì)量的不穩(wěn)定［2－4］，該研究從聚羧酸減水劑本身出發(fā)，探索一種保坍型聚羧酸混凝土減水劑，來(lái)解決施工過(guò)程中混凝土坍落度損失這一行業(yè)內(nèi)普遍性難題。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 聚羧酸減水劑合成原料

聚羧酸減水劑合成原料見(jiàn)表1。

1.1.2 水泥

試驗(yàn)所用水泥為湖北軍山水泥有限公司生產(chǎn)的昌閣P·O42.5水泥。

1.1.3 拌合水

試驗(yàn)所用凈漿拌合水為潔凈自來(lái)水。

表1 聚羧酸減水劑合成原料

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1000mL三口燒瓶、溫度計(jì)、攪拌機(jī)、滴液管。

1.3 聚羧酸減水劑的合成

在三口燒瓶中加入TPEG，水浴加熱至一定溫度至TPEG完全溶解，再加入一定量的引發(fā)劑，充分?jǐn)嚢?5min，直至引發(fā)劑和TPEG攪拌均勻，恒溫一段時(shí)間后，同時(shí)分別滴加AA，衣康酸溶液以及VC和巰基乙酸混合溶液，控制好滴加時(shí)間和溫度，待所有料滴加完成后保溫1h，然后冷卻至室溫，使用30%濃度的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至6.0～7.0，即得聚羧酸減水劑。

1.4 水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)定

參照GB／T 8007—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》，對(duì)聚羧酸減水劑性能測(cè)定。W／C＝0.29，外加劑摻量為0.4%，其中，聚羧酸減水劑取代20%減水劑母液，每測(cè)定一次流動(dòng)度后將水泥漿裝入燒杯蓋上濕布，到達(dá)指定時(shí)間后再次攪拌均勻，然后測(cè)定其流動(dòng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

共聚產(chǎn)物的性能隨著小料的比例不同而發(fā)生變化。通過(guò)前期的試驗(yàn)摸索，n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%的基礎(chǔ)上，分別單一改變各個(gè)小料的用量和反應(yīng)條件，研究各小料和反應(yīng)條件對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響。

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響

保持n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，反應(yīng)時(shí)間一定，只單一改變反應(yīng)溫度，研究反應(yīng)溫度對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)體系的溫度控制在43～45℃時(shí)，合成的聚羧酸高效減水劑可以使水泥具有較好的分散性，特別是在反應(yīng)體系的溫度控制為44℃時(shí)，合成的聚羧酸高效減水劑不僅可以使水泥具有較好的分散性，而且可以使水泥具有較好的分散保持性，降低了水泥凈漿流動(dòng)度的經(jīng)時(shí)損失。因?yàn)椋l(fā)劑在此溫度條件下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生自由基，反應(yīng)體系的溫度和酸度對(duì)引發(fā)劑的分解速率具有較大的影響。

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響（微觀）

保持n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，反應(yīng)溫度一定，僅僅只改變反應(yīng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

從圖2可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間控制在4h時(shí)，生成的聚羧酸高效減水劑可使水泥具有較好的分散性以及分散保持性。當(dāng)聚合反應(yīng)時(shí)間小于4h時(shí)，反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，單體反應(yīng)轉(zhuǎn)化的速率較低，反應(yīng)體系中大量的反應(yīng)單體沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致合成聚羧酸高效減水劑的有效成分較低，所以，其對(duì)水泥的分散保持性能較差；當(dāng)聚合反應(yīng)時(shí)間大于4h時(shí)，單體反應(yīng)轉(zhuǎn)化的速率較高，但是，當(dāng)反應(yīng)的時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)有越來(lái)越多的側(cè)鏈脫落，聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的分散性與分散保持性逐漸降低［5，6］。當(dāng)聚合反應(yīng)時(shí)間為4h時(shí)，反應(yīng)體系的所有單體幾乎完全發(fā)生反應(yīng)，此時(shí)，合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的分散性與分散保持性能最好，具有較好的綜合性能。但是，隨著聚合反應(yīng)時(shí)間的增加，其對(duì)水泥的分散性和分散保持性均有所下降，所以，合成聚羧酸高效減水劑的聚合反應(yīng)的最佳反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該控制為4h。

2.3 酸醚比對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響

酸醚比即n（AA）∶n（TPEG），對(duì)聚羧酸高效減水劑的分子量和分子側(cè)鏈的疏密有著決定性的影響。當(dāng)酸醚比過(guò)低時(shí)，體系中大量的TPEG沒(méi)有反應(yīng)；當(dāng)酸醚比過(guò)高時(shí)，聚羧酸高效減水劑的主鏈長(zhǎng)，分子量大，側(cè)鏈密度降低。酸醚比是聚羧酸高效減水劑的性能的一個(gè)非常重要的參數(shù)。n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，試驗(yàn)的聚合反應(yīng)時(shí)間為4h，反應(yīng)溫度為44℃，改變酸醚比1.3∶1～3∶1，合成了9組聚羧酸高效減水劑，其水泥凈漿流動(dòng)度結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3可以看出：當(dāng)n（AA）∶n（TPEG）＝1.9時(shí)，合成的聚羧酸高效減水劑可使水泥具有較好的初始分散性和分散保持性；因?yàn)門(mén)PEG的聚合活性比較差，當(dāng)AA的用量低于某一值時(shí)，反應(yīng)體系中有較多的TPEG沒(méi)有發(fā)生聚合反應(yīng)，使得合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的初始分散性和分散保持性比較差；隨著AA摩爾用量的增加，合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的初始分散性較好，但是，其分散保持性減弱；當(dāng)AA的摩爾用量超過(guò)一定的值時(shí)，使得合成的聚羧酸高效減水劑分子的分子量大，且側(cè)鏈密度降低，從而影響聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的空間位阻作用，同時(shí)，吸附加快，導(dǎo)致聚羧酸高效減水劑分散性下降。

2.4 衣康酸用量對(duì)減水劑性能的影響

衣康酸分子結(jié)構(gòu)中含有不飽和的雙鍵。不飽和雙鍵使得衣康酸具有較好的共聚反應(yīng)活性，可以與其它單體發(fā)生共聚反應(yīng)；在單位衣康酸分子中所含的不飽和雙鍵比丙烯酸中更多，使得合成的聚合物具有更高的減水率。同時(shí)衣康酸也起著調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度的作用。在n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%，試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度一定的條件下，改變衣康酸的用量，其水泥凈漿流動(dòng)度結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，改變衣康酸的用量，使得合成的聚羧酸高效減水劑的反應(yīng)溫度下降，同時(shí)對(duì)水泥的初始分散性能沒(méi)有較大的影響；但是，改變衣康酸的用量，使得合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的分散保持性能的影響比較明顯。當(dāng)n（衣康酸）∶n（AA）＝12%時(shí)，低溫合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的初始分散性能和分散保持性能較好；當(dāng)n（衣康酸）∶n（AA）＞12%或n（衣康酸）∶n（AA）＜12%時(shí)，合成的聚羧酸高效減水劑對(duì)水泥的初始分散性能較好，但是對(duì)水泥的分散保持性能較差，水泥的坍落度損失比較明顯。所以，衣康酸的最佳摩爾用量應(yīng)為AA摩爾用量的12%。

2.5 聚羧酸減水劑性能對(duì)比試驗(yàn)

為了研究采用最佳合成條件制得的聚羧酸減水劑，采用摻市售減水劑和摻市售減水劑同時(shí)替換20%保坍劑對(duì)照組的試驗(yàn)方法，固定外加劑摻量為0.4%，水灰比為0.29，分別測(cè)試0min、30min、60min、90min的凈漿流動(dòng)度。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 聚羧酸減水劑性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，在摻聚羧酸減水劑的條件下，水泥凈漿流動(dòng)度大同時(shí)保坍性能好。與市售減水劑相比該聚羧酸減水劑在一定程度上能夠提高水泥凈漿的初始流動(dòng)度，并且在30min分鐘后仍能保持較高的流動(dòng)度，保坍效果較好。

3 結(jié) 語(yǔ)

反應(yīng)溫度在45℃，反應(yīng)時(shí)間控制在4h，在n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發(fā)劑）∶m（TPEG）＝0.20%的時(shí)候，摻該聚羧酸減水劑能夠改善水泥凈漿早期的流動(dòng)性，同時(shí)具有很好的保坍性，其綜合性能較好。

［1］肖 煜，廖國(guó)勝，潘 會(huì).水泥特性對(duì)聚羧酸減水劑適應(yīng)性的影響［J］.建筑施工，2012（5）：450－452.

［2］冉千平，劉加平，沙建芳，等.高保坍型聚羧酸系高性能減水劑的研究［A］.第三屆全國(guó)聚羧酸系高性能減水劑及其應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)［C］.北京：中國(guó)建筑學(xué)會(huì)，2007：57－61.

［3］史才軍，何富強(qiáng)，劉 慧，等.聚羧酸系高效減水劑的近期研究進(jìn)展［J］.商品混凝土，2010（2）：20－23.

［4］廖國(guó)勝，何正戀，劉 佩.新型聚羧酸系保坍劑的合成與性能研究［J］.建材世界，2013（4）：1－4.

［5］張志勇，冉千平，楊 勇，等.甲基烯丙基聚氧乙烯醚基馬來(lái)酸酐類(lèi)減水劑的合成與性能研究［J］.新型建筑材料，2011，38（6）：40－43.

［6］王子明.聚羧酸系高性能減水劑—制備·性能與應(yīng)用［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.