混凝土高和易性高效減水劑的研究和應用

（山東華森建材集團有限公司，山東 濟南 250101）

0 前言

聚羧酸高性能減水劑由于具有摻量低、減水率高、低坍落度損失、低收縮，且生產過程不污染環境以及產物本身結構的可設計性等優點，被廣泛應用于各類混凝土中，其也是近年來國內外研究最為活躍的高性能減水劑。但是，隨著全國混凝土建設施工工程大面積開工，混凝土需求量驟然增長，以及近年來環保力度的加大，優質的砂石料資源越來越少，機制砂的應用也越來越普及，但是機制砂的顆粒級配較差，細顆粒較多、含泥量大，拌制的混凝土粘聚性不好，松散易離析，不便于施工；另一方面，隨著節能環保的提倡，水泥中礦物摻合料的種類越來越多，由此帶來的聚羧酸減水劑與水泥的適應性問題也尤為突出。

針對上述問題，本領域技術人員也在不斷研究出應對措施，例如使用增稠劑、引氣劑等來改善混凝土的和易性，但在使用過程中也并不能完全解決問題。因為常用的纖維素、溫倫膠、膠粉等增稠劑由于自身溶解性能，與聚羧酸減水劑相容性不好；而引氣劑種類繁多，用量少，使用不當時引入氣泡大小不易控制，混凝土含氣量超標等問題。詹曉力等人[1]研究了巰基乙醇與過氧類引發劑的相互作用，認為巰基乙醇類具有還原性，而過氧類引發劑具有氧化性，兩者配伍時，聚合反應顯著減慢，轉化率降低，甚至造成死端聚合。在減水劑合成方面，目前較常用的是采用氧化還原體系作為自由基引發劑，巰基丙酸、巰基乙酸、烯丙基磺酸鈉等作為鏈轉移劑。本文將具有弱還原劑的鏈轉移劑與強氧化劑進行配伍，鏈轉移反應與氧化還原產生自由基的反應存在競爭關系，制備的減水劑分子量更大，表面張力適中，在混凝土引入微小的氣泡改善混凝土和易性且不會造成混凝土的含氣量超標。

1 試驗部分

1.1 原材料

異戊烯醇聚氧乙烯醚 TPEG2400，工業級，奧克化學揚州有限公司；丙烯酸、巰基丙酸、醋酸乙烯酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、過硫酸銨、L-抗壞血酸、具有還原性的鏈轉移劑、強氧化劑，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

水泥：P·O42.5 濟南山水水泥。

砂子：河砂，粗顆粒較多，細度模數為 3.1。試驗用水：自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土高和易性高效減水劑的合成

在常溫條件下在四口燒瓶中加入異戊烯醇聚氧乙烯醚，攪拌溶解后，加入一定量的醋酸乙烯酯和具有還原性的鏈轉移劑，待釜內物質溶解完全后，同時滴加 A 液和 B 液，A 液為由丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和水配成的混合溶液，B 液為強氧化劑溶液，滴加時間為 2.5h，滴加完成后保溫 1h，用氫氧化鈉溶液調節 pH 至 7。

1.2.2 普通型聚羧酸減水劑的合成

在常溫條件下在四口燒瓶中加入異戊烯醇聚氧乙烯醚，攪拌溶解后，加入一定量的過硫酸銨，溶解完全后，同時滴加單體溶液和還原劑溶液，其中單體溶液由丙烯酸、巰基丙酸和水配制成的混合溶液，還原劑溶液為 L-抗壞血酸溶液。

1.2.3 結構表征與性能測定

（1）減水劑分子量與分布測試：采用安捷倫1200 凝膠滲透色譜儀測定，色譜柱為 PL aquagel-OHMIXED-M 8μm；檢測器為 Agilent G1314B 紫外檢測器，檢測波長為 210nm；流動相為含 0.3mol/L 的 KCl的超純水溶液，流量為 0.5mL/min；樣品濃度為 25mg/L；標準樣品未安捷倫公司提供的窄分布聚丙烯酸，相對分子質量分別為 Mp=2250000、392600、47500、7500、1250。

（2）表面張力測試：將制備的聚合物配制成 20%質量濃度后采用上海中辰數字技術設備有限公司的JK99B 型全自動表面張力儀的環法測試測得。

（3）引氣和穩泡能力測試：將制備聚合物稀釋成質量濃度為 20% 的溶液，取 5mL 溶液于 10mL 的帶蓋離心管中，劇烈搖晃 20s 后，觀察從停止搖動氣泡的高度及氣泡完全消失的時間。

（4）水泥凈漿流動度按 GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測定，凈漿水灰比為0.29。

（5）砂漿測試方法：根據已知的配合比稱取原材料，測試方法根據 GB 50119—2013《混凝土外加劑相容性快速試驗方法》中砂漿的測試方法，截錐圓模采用的是 GB 8077—2012 測試砂漿減水率的截錐圓模。

（6）混凝土性能根據 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試。

2 結果與討論

2.1 混凝土高和易性高效減水劑分子量和表面張力分析

將具有還原性的鏈轉移劑與強氧化劑進行配伍之后，由于鏈轉移反應與氧化還原產生自由基的反應存在競爭關系，制備的減水劑分子結構有較大改變。通過凝膠滲透色譜測試了新型混凝土高和易性高效減水劑與普通減水劑的分子量與分布以及表面張力，結果見表 1 和圖 1。

表1 減水劑的 GPC 測試和表面張力測試結果

圖1 減水劑的 GPC 測試圖譜

從表 1 中和圖 1 中的數據可以看出，通過將具有還原性的鏈轉移劑與強氧化劑進行配伍，制備的減水劑分子量較大，數均分子量是普通減水劑的 4.2 倍，分子量分布范圍也較寬。由于混凝土高和易性高效減水劑用引入了磺酸基和酰胺基等親水性基團，使其表面張力變大，較普通減水劑表面張力高 12.56mN/m。從圖 2（圖中摻量代表折固摻量）減水劑的凈漿性能對比可以看出，達到相同的擴展度，混凝土高和易性高效減水劑所需摻量更高，但流動性保持能力更好。

圖2 減水劑的凈漿性能對比

2.2 混凝土高和易性高效減水劑引氣和穩泡能力比較

為了比較制備的聚合物的引氣能力和穩泡能力，按照設計的試驗方案進行了 20% 減水劑溶液以及 20% 的減水劑溶液 + 0.5‰ 的引氣劑在恒定體積條件下經過同一條件搖晃后的起泡高度和消泡時間，結果見表 2。

表2 減水劑的引氣能力和消泡能力比較

從表 2 中的數據可以看出，混凝土高和易性高效減水劑經過搖晃后可以充滿離心管，氣泡刻度為 10mL，而普通減水劑經搖晃后氣泡不能完全充滿離心管，氣泡刻度為 9mL，在加入 0.5‰ 引氣劑兩組樣品經搖晃后均可充滿離心管，氣泡刻度均達到了 10mL。從 20% 減水劑溶液以及加入 0.5‰ 引氣劑的消泡時間對比，混凝土高和易性高效減水劑的穩泡能力更強，減水劑溶液的消泡時間較普通減水劑慢 28s，加入引氣劑后消泡時間較普通減水劑慢 1h8min。引氣劑的作用機理是降低液—氣表面張力，是氣泡表面帶電荷，增加氣泡液膜強度和彈性，提高液相黏度使氣泡容易產生而不易破裂，而混凝土高和易性高效減水劑在分子鏈上引入了較多的磺酸基、氨基等親水性基團，使合成的聚合物水溶液表面張力適中，為 57.95mN/m，有利于產生穩定的氣泡。

2.3 混凝土高和易性高效減水劑砂漿性能測試

為了初步比較混凝土高和易性高效減水劑對漿體包裹性能的改善，試驗選取了顆粒較粗的砂子，細度模數為 3.1 的河砂。砂漿配合比為水泥 390kg/m3，河砂785kg/m3，自來水 173kg/m3，混凝土高和易性高效減水劑和普通型聚羧酸減水劑均配成 20% 濃度。砂漿擴展度和狀態分別見表 3 和圖 3。從表 3 中可以看出兩種減水劑的砂漿要達到相同的擴展度，混凝土高和易性高效減水劑的摻量為 1.2%，普通減水劑的摻量為 0.8%；當兩種減水劑摻量均為 1% 時，混凝土高和易性高效減水劑拌制的砂漿狀態較好，砂漿粘聚性好表面無泌水泌漿現象，將摻量增加至 1.2% 后砂漿擴展度變大，但砂漿狀態依然較好，沒有泌水泌漿的現象；根據表 3 的數據可以看出：相同摻量下，混凝土高和易性高效減水劑的砂漿初始擴散度小，即混凝土高和易性高效減水劑的減水率比普通減水劑低。由圖 3 可知普通減水劑摻量為1% 時，砂漿擴展度較大達到 270mm，表面泛黃漿現象嚴重，砂漿周邊的泌水環較明顯，將摻量降低至 0.8%后，砂漿擴展度降低至 255mm，泌水泌漿現象有所改善，但砂漿表面仍有黃色浮漿出現，砂漿邊緣仍有少量的水泌出。從試驗結果可初步看出上述所制備的混凝土高和易性高效減水劑對改善粗砂拌制砂漿和易性有較明顯的改善，從減水劑的分子結構分析可知，混凝土高和易性高效減水劑的分子量高達 16 萬，較普通減水劑高出很多，其本身具有較好的增稠保水作用，因此對砂漿的泌水泌漿有較好的改善。

表3 減水劑的砂漿性能測試結果

2.4 混凝土高和易性高效減水劑混凝土性能測試

混凝土的粘聚性、保水性差是低強度等級混凝土的普遍問題，混凝土選擇 C30 水下樁混凝土，混凝土的配合比見表 4。

表4 混凝土試驗配合比 k g/m3

從砂漿和凈漿的測試結果中可知混凝土高和易性高效減水劑減水率比普通減水劑低，在進行混凝土性能對比時，為了在相同坍落度和擴展度范圍內對比混凝土的其他性能，減水劑的復配方案為：混凝土高和易性高效減水劑 15% 或普通減水劑 12%：保坍劑（3%）+1‰Y04（引氣劑）+ 2% 葡萄糖酸鈉，拌制混凝土的性能見表 5。

表5 混凝土數據和狀態表現

圖3 兩種減水劑的砂漿狀態對比結果

從表 5 中的數據可知，兩種減水劑拌制混凝土初始坍落度和擴展度基本一致，混凝土含氣量混凝土高和易性高效減水劑含氣量僅為 3.0%，T500時間為 3.9s，而普通減水劑的含氣量達到了 3.4%，T500時間為 5.0s，而在表 2 中減水劑溶液的引氣能力對比中可知，在不加引氣劑的情況下，高和易性高效減水劑起泡能力更佳，而氣泡在混凝土中能夠起到潤滑作用從而改善混凝土的柔軟度和流速，使混凝土具有較好的和易性。從混凝土含氣量來看普通減水劑的含氣量更高，但是達到 T500的時間卻更長，筆者認為是減水劑引入的氣泡質量，如氣泡大小、均一性、穩定性都會影響混凝土的狀態，混凝土高和易性高效減水劑的表面張力較普通減水劑大，起泡能力和穩泡能力更好，但混凝土含氣量較低，是因為由混凝土高和易性高效減水劑引入的氣泡體積更小，更能起到微珠潤滑的效果，使混凝土保持較好的和易性的前提下流速更快，氣泡在混凝土中的穩定性更好。從混凝土1h 含氣量變化可以看出，混凝高和易性高效減水劑 1h含氣量損失僅為 0.3%，而普通減水劑 1h 含氣量損失高達 1.1%，因此由普通減水劑拌制的混凝土在放置一段時間后繼續出現板結沉重的現象。

3 結論

本文將具有還原性的鏈轉移劑與強氧化劑進行配伍，在合成過程中增加親水性單體制備了一種混凝土高和易性高效減水劑，通過將其與普通減水劑的分子結構、砂漿擴展度及狀態、混凝土的工作性能進行對比，得出如下結論：

（1）將具有還原性的鏈轉移劑與強氧化劑進行配伍，不會造成死端聚合，制備的減水劑分子量較大，達到了 165800，是普通減水劑的 4.2 倍，親水性單體的加入，增加了減水劑的表面張力，20% 水溶液的表面張力到達了 57.95mN/m。

（2）混凝土高和易性高效減水劑獨特的分子結構使其在發揮減水作用的同時具有增稠保水的作用。較好的引氣和穩泡作用，在混凝土中可引入較多的小氣泡，改善混凝土和易性，增加混凝土流速。