高保坍聚羧酸減水劑的合成及性能的研究

劉凌，安聰

（河北青華建材有限公司，河北 石家莊 052160）

0 前言

聚羧酸減水劑具有摻量低、分散性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于混凝土行業(yè)，并且每年的需求量逐步增加。隨著應(yīng)用越來越廣泛，諸多問題也隨之而來，其中最普遍、最主要的問題之一，就是如何控制混凝土坍落度損失較快的問題，尤其是高溫、長距離運輸時混凝土坍落度損失較大[1,2]。

目前，較多研究者針對保坍型聚羧酸減水劑的合成進行了研究。陳亞萍[3]通過正交試驗考察了甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、甲氧基聚乙二醇、丙烯酸羥乙酯 4 種主要原材料對緩釋保坍型減水劑分散性和分散保持性的影響，經(jīng)檢測具有較高的減水率和優(yōu)異的坍落度保持性能。王笑平[4]等使用異戊烯醇聚氧乙烯醚大單體，丙烯酸、甲基丙烯酸酯和甲基丙烯基磺酸鈉等共聚小單體，在引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑等作用下在水溶液中通過自由基聚合，合成一種保坍型聚羧酸減水劑，試驗結(jié)果表明，減水率雖然相對較低，但能提高混凝土后期流動度，有效地控制混凝土坍落度損失。

為了解決混凝土坍落度損失較大和生產(chǎn)成本問題，通過分子設(shè)計，研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)降低聚羧酸減水劑的側(cè)鏈長度，適當(dāng)加入 β-羧乙基丙烯酸酯（β-酸酯）以及丙烯酸羥乙酯（HEA）有助于聚羧酸減水劑的保坍性能。

1 試驗部分

1.1 原材料

原材料：異戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG），工業(yè)級，相對分子質(zhì)量為 1600、2000、2400、2800；丙烯酸（AA），工業(yè)級；β-酸酯，工業(yè)級；HEA，工業(yè)級；鏈轉(zhuǎn)移劑（巰基丙酸）工業(yè)級，過硫酸鉀，工業(yè)級；抗壞血酸（Vc），醫(yī)藥級；氫氧化鈉，工業(yè)級。

水泥：淶水冀東水泥 P·O42.5；粉煤灰：Ⅰ級；礦粉：S95 級；砂子：細度模數(shù) 2.8、含泥量為 1.8%；石子為連續(xù)級配。

1.2 聚羧酸減水劑的合成

將異戊烯醇聚氧乙烯醚和少量的去離子水混合于四口燒瓶中，使其溶解，溫度控制在 25℃，將引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移劑和小單體配制成水溶液，通過恒壓泵滴加到燒瓶中，并控制滴加時間。滴加結(jié)束后繼續(xù)反應(yīng)一段時間后，加入液堿使體系 pH 呈中性，即得到高保坍聚羧酸減水劑 FSS-BT。

1.3 性能測試

1.3.1 水泥凈漿流動度

按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》中水泥凈漿流動度測試方法測定所致樣品初始以及保坍流動度。水灰比為 0.29，減水劑折固摻量為0.20%。

1.3.2 混凝土性能試驗

為更全面評定 FSS-BT 保坍性能，與市售的保坍劑 A、保坍劑 B 和保坍劑 C 在不同配合比 C30、C40、C50 的情況下進行混凝土性能測試。具體配合比見表1。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 不同側(cè)鏈長度對保坍性能的影響

分別使用了相對分子質(zhì)量為 1600、2000、2400、2800 的 TPEG 在相同條件下合成三種高保坍聚羧酸減水劑，對減水劑進行凈漿流動度試驗。試驗結(jié)果如表 2所示。

由表 2 可知，隨著 TPEG 側(cè)鏈長度的增加，聚羧酸減水劑的保坍性能隨之增強后減小，當(dāng)側(cè)鏈長度在2000 時，水泥凈漿流動度在一直變大后保持不變，相比較其他側(cè)鏈長度保坍性能較好。這可能因為 TPEG2000 的分子量分布較均勻，具有更好的保坍性能。

表 1 混凝土配合比 kg/m3

表 2 不同側(cè)鏈對減水劑保坍性能影響 mm

2.2 AA 和 HEA對聚羧酸減水劑保坍性能的影響

控制其他反應(yīng)條件不變，使用側(cè)鏈長度為 2000 的TPEG，保持 TPEG 的質(zhì)量為聚合單體總質(zhì)量的 83%，AA 和 HEA 為聚合單體總質(zhì)量為 17%，通過調(diào)整 AA和 HEA 質(zhì)量比例，試驗減水劑對水泥凈漿流動度的影響。試驗結(jié)果如表 3。

表 3 AA:HEA 對水泥凈漿流動度的影響 mm

從表 3 可知，AA:HEA=2:8 時，聚羧酸減水劑保坍性能最好，這是因為 HEA 在水泥堿性條件下 1～3h 內(nèi)不斷水解，釋放出羧酸基團，具有減水效果，當(dāng) AA:HEA=1:9 時，HEA 可能未能全部水解，釋放的羧酸基團較少，致使水泥凈漿流動度較小，AA:HEA=3:7 時，HEA 釋放的羧酸基團在 2h 內(nèi)全部釋放，致使 3h 水泥凈漿流動度變小。

2.3 β-羧乙基丙烯酸酯對聚羧酸減水劑保坍性能的影響

控制其他反應(yīng)條件不變，使用側(cè)鏈長度為 2000 的TPEG， AA:HEA=2:8 時，試驗 β-酸酯替代 TPEG 對保坍性能的影響。試驗結(jié)果如表 4。

從表 4 結(jié)果，由于 β-酸酯含有羧酸酯基（-COOCH2CH2COOH），羧酸酯基中的羧基不僅具有減水作用，其中酯基在堿性條件下釋放出減水基團，具有一定的緩釋作用，當(dāng) β-酸酯替代 TPEG 10g 時，水泥凈漿流動度的保坍性能最好，替代 15g 時，TPEG 提供的空間位阻作用變?nèi)酰率贡Ｌ阅茏內(nèi)酢?/p>

表 4 β-酸酯替代量對水泥凈漿流動度的影響 mm

2.4 混凝土性能測試

為了更全面地評定 FSS-BT 的保坍性能，將 FSSBT 與市售保坍劑 A、保坍劑 B、保坍劑 C 在 C30、C40、C50 配合比的情況下混凝土性能。FSS-BT 相較于市售保坍劑在變化配合比的情況下，2h 仍保持較高的保坍效果，更加驗證了 FSS-BT 型保坍劑所具備的高保坍性。試驗結(jié)果見表 5。

3 結(jié)論

（1）試驗采用常溫合成工藝，通過研究聚醚單體采用相對分子質(zhì)量為 2000 的 TPEG，AA 和 HEA 為聚合單體總質(zhì)量為 17% 且 AA:HEA=2:8，β-羧乙基丙烯酸酯替代 TPEG 10g 時，得到的聚羧酸減水劑保坍能力優(yōu)異。

表 5 各保坍劑對混凝土坍落度/擴展度影響 mm/mm

（2）常溫條件下合成的高保坍聚羧酸減水劑 FSSBT，無需熱源、性能優(yōu)越、節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。