不同分子結構的聚羧酸減水劑協同作用機理

葉慈彪 查文彬 楊博 高夢兆 陳菁

摘 要：本文利用紅外光譜（IR）分析了兩種聚羧酸減水劑PCE1、PCE2的分子結構，測定了吸附量、水泥凈漿流動性，并結合混凝土試驗，探討了兩種聚羧酸減水劑的協同作用機理。研究結果表明：對PCE1、PCE2分子結構的研究說明含有酯基的PCE2吸附量明顯小于PCE1，對水泥漿體的初始分散能力較小，而分散保持性較好，呈現“緩釋”現象；可利用初始低分散性的緩釋型減水劑調整外加劑的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度損失，可為混凝土坍落度損失的調控提供了有效的技術手段。

關鍵詞：聚羧酸減水劑；吸附量；流動性；緩釋

引 言

從作用機理上來看，聚羧酸減水劑依靠短側鏈的靜電斥力及長側鏈的空間位阻效應有效分散顆粒，分子結構設計上自由度較大，可調整短長側鏈摩爾比、長側鏈長度、引入其他活性基團，從而實現聚羧酸減水劑性能的優化[1～2]。本文選擇兩種不同分子結構的減水劑，通過對分子結構的表征、吸附量的測定、流動性的分析，研究了兩種分子結構的聚羧酸減水劑的復合效應，為聚羧酸減水劑性能優化提供經驗。

1 實 驗

1.1 原材料

（1）水泥

亞東P.O.42.5，化學成分見表1。

（2）減水劑

標準型聚羧酸減水劑PCE1，緩釋型聚羧酸減水劑PCE2，勻質性指標見表2。

1.2 吸附量及ζ電位測定

水泥和泥土懸浮液的制備：分別稱取適量水泥1g，與一定濃度的聚羧酸減水劑溶液（20g）攪拌搖勻（攪拌時間分別為5min，30min，60min），取出適量液體倒入離心管中，采用離心機離心分離濾液（轉速3000r/min，4min），收集上清液后用一次性濾器取出5mL液體作為測試樣品。本實驗采用德國耶拿公司的總有機碳分析儀MultiN/C2100測試濾液中的有機碳含量。總有機碳的計算：從聚羧酸減水劑摻加的總量中減去濾液中通過有機碳（扣除空白樣中的有機碳）得出的減水劑量即為減水劑被固體顆粒（水泥或泥土）的吸附量。

1.3 傅立葉紅外光譜結構表征

采用德國Bruker公司生產的TENSOR37型紅外光譜儀。分別稱取適量減水劑在真空干燥箱中烘干，之后將樣品與KBr混合均勻后壓成小圓片。掃描頻率范圍為500～4000cm-1。分辨率為6cm-1。

2 結果與討論

2.1 聚羧酸減水劑結構表征

圖1給出了PCE1與PCE2的紅外光譜分析。從圖中可以看出，由圖1可知，在3420～3460cm-1附近有締合羥基的伸縮振動特征峰，在2820～2890cm-1附近出現小峰，這是甲基和亞甲基C-H的振動峰，在1100～1120cm-1處出現聚氧化乙烯基中的C-O-C的伸縮振動吸收峰，這些峰是這兩張圖譜中都出現的。而在PCE2紅外圖譜中，在1720～1740cm-1處存在酯鍵（C=O）的伸縮振動吸收峰。

2.2 吸附量

圖2給出了PCE吸附量隨減水劑濃度的變化規律。從圖中可以看出，隨PCE濃度的增加，吸附量增加；但比較PCE1與PCE2，PCE1的初始吸附量略高于PCE2，說明PCE1在水泥顆粒表面具有更強的吸附能力。圖3給出了PCE吸附量隨時間的變化規律（減水劑濃度為0.2g/L）。隨時間的增加，PCE1、PCE2的吸附量均增加；15min后，PCE2的吸附量與PCE1的吸附量相差不大，當吸附時間大于30min時，PCE2的吸附量已經超過PCE1，說明隨時間的變化，PCE2的吸附量增加速度略大于PCE1[3]，而酯基在水泥水化的堿性環境中易水解，生成羧基（COO-），而羧基是影響聚羧酸減水劑吸附性能的主要官能團，決定減水劑吸附能力的大小[4]。因此，可調整PCE1與PCE2的相對用量來調整減水劑在顆粒表面的吸附進程，實現顆粒表面減水劑吸附的可調控性。

2.3 流動性的變化

表3給出了PCE1和PCE2協同作用對水泥凈漿流動度的影響規律。從圖中可以看出，對于PCE1，當摻量為0.18%時，初始流動度可達到290mm，而60min流動度降至200mm，120min流動度降至120mm，雖然PCE1具有較高的初始流動度，但流動性損失較大；對于PCE2，當摻量為0.18%時，幾乎沒有初始流動度，而60min流動度提高至250mm，120min流動度略微增加，為260mm，雖然PCE1的初始分散能力較差，但具有較好的緩釋效果；從PCE1與PCE2復摻的結果來看，隨PCE1摻量的增加，漿體初始流動性增加，流動性損失增大；而隨PCE2摻量的增加，漿體初始流動性增加，流動性損失降低。

以往的研究顯示，減水劑流動性與流動保持性的變化與吸附量的變化有關[5]。從吸附量的分析可以看出，PCE1具有較強的初始吸附能力，在水化初期有效分散水泥顆粒，但由于大量的消耗，液相中減水劑濃度較低，漿體體系的穩定差，導致流動性損失增大。而PCE2具有較小的初始吸附量，避免初始礦物快速水化對減水劑的消耗，增加了液相中減水劑的含量，同時具有緩釋吸附的特點，隨時間延長，吸附量增加速度大于PCE1，因此可較好的維持1～2h漿體體系的穩定性，表現出良好的分散性保持性。因此，可通過調整PCE1與PCE2的用量，可調控減水劑分子在水泥顆粒表面的吸附歷程，從而調控漿體流動性與流動保持性。

3 結 論

（1）對PCE1、PCE2分子結構的研究顯示：含有酯基的PCE2吸附量明顯小于PCE1，對水泥漿體的初始分散能力較小，而分散保持性較好，呈現“緩釋”現象；

（2）可利用初始低分散性的緩釋型減水劑調整外加劑的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度損失，可為混凝土坍落度損失的調控提供了有效的技術手段。

參考文獻

[1]朱俊林，石小斌，戴文杰.對國內外聚羧酸減水劑研究進展的探討[J].商品混凝土，2006，（04）：5～7+24.

[2]繆昌文，冉千平，洪錦祥.聚羧酸系高性能減水劑的研究現狀及發展趨勢[J].中國材料進展，2009，（11）：36～45+53.

[3]郭清春，周普玉，楊霞.高保坍型聚羧酸減水劑的合成及性能表征[J].新型建筑材料，2014，（02）：9～12.

[4]李崇智，馮乃謙，王棟民.梳形聚羧酸系減水劑的制備、表征及其作用機理[J].硅酸鹽學報，2005，（01）：87～92.

[5]李順，余其俊，韋江雄.聚羧酸減水劑的分子結構對水泥水化過程的影響[J].硅酸鹽學報，2012，（04）：613～619.