減水保坍型聚羧酸母液的合成及性能研究

陳文紅，鄧磊，蔣禹，艾玲，李劍梅

[科之杰新材料集團（貴州）有限公司，貴州 龍里 551206]

0 前言

聚羧酸減水劑從20世紀80年代開始不斷發展，起初由日本媒觸公司開始研究并生產，隨后歐美地區及我國也掀起聚羧酸減水劑的研究熱潮[1]。目前市場上生產的聚羧酸減水劑從性能上可分為減水型、保坍型、超緩釋型、早強型、降黏型等[2]，由于其生產技術成熟，生產工藝相對簡單，經濟適用，分子結構多樣化且可控制，在低摻量情況下具有較高的混凝土減水率等優點，已成為建筑工程中不可或缺的外加劑之一。

國內聚羧酸生產廠家主要通過改性聚醚、丙烯酸及丙烯酸衍生物等為原料合成減水緩釋型聚羧酸減水劑。由于丙烯酸空間位相對較小和含有親水性羧基官能團，其合成的聚羧酸減水劑對水泥、砂石等物料吸附性及分散性較好[3]。但砂石等原材料復雜多變，混凝土性能要求越來越高，普通聚羧酸減水劑達不到現場施工的要求。因而需要引入特定功能性單體對聚羧酸減水劑進行改性，通常需要引入酯類單體[4]、含氮單體及含磷單體等對聚羧酸減水劑進行改性，以使其性能能夠滿足混凝土現場施工要求。

為了解決混凝土初始攪拌狀態及后期坍落度與擴展度保持能力等問題，要求聚羧酸減水劑具有“減水+緩釋”等功能。本研究采用改性聚醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、丙烯酸羥丙酯（HEA）、聚乙二醇酯化大單體進行自由基聚合反應。聚乙二醇酯化大單體的引入可有效改善混凝土流動性、保水性、粘聚性等問題，有利于混凝土現場施工。

1 試驗

1.1 主要原材料與儀器設備（見表1、表2）

表1 試驗原材料

表2 主要儀器設備

1.2 減水保坍型聚羧酸母液的制備

向帶有攪拌器的反應釜中加入TPEG3000（220 g），PCM（2.5 g）和水（160.75 g），溫度升高至35℃攪拌至溶液為無色透明，同時滴加A、B、C三種溶液，其中A液為AA（18 g）與水（20 g）的混合液，B液為Vc（0.3 g）、TGA（0.75 g）與水（30 g）的混合液，C液為H2O（21.1 g）與水（30 g）的混合液。A液滴加反應2 h，B、C液滴加反應2.5 h，35℃恒溫反應1 h后，加入固體NaOH（3 g）攪拌至溶解，得到無色透明、固含量為50%的減水保坍型聚羧酸母液SC。

1.3 性能測試方法

（1）水泥凈漿流動度：按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測試，水灰比為0.29，外加劑折固摻量為0.20%。

（2）混凝土性能測試：參照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進行C30混凝土性能試驗，外加劑固含量為15%，摻量為1.80%，混凝土配合比如表3所示。

表3 試驗混凝土配合比 kg/m3

2 結果與分析

2.1 GPC分析

對合成的減水保坍型聚羧酸母液SC進行GPC分析，結果見圖1和表4。

圖1 減水保坍型聚羧酸母液SC的GPC積分曲線

表4 SC的GPC數據分析

由圖1和表4可知，減水保坍型聚羧酸母液SC在17 min時出現尖峰，峰值分子質量Mp為35 208，其重均分子質量Mw為47 659，多分散系數為1.60，22.5 min時出現較小峰，峰值分子質量Mp為1085，分子質量分布較窄，從2個峰積分面積比可看出反應轉化率較高，高達92.72%。

2.2 紅外光譜分析

對減水保坍型聚羧酸母液SC進行紅外光譜分析，結果見圖2。

由圖2可見，3502 cm-1處為羥基—OH的伸縮振動吸收峰，2871 cm-1處為烷基—C—H的伸縮振動吸收峰，1455 cm-1和1350 cm-1處為烷基—C—H的面內彎曲振動吸收峰，1726 cm-1處為羰基C=O的伸縮振動吸收峰，1107 cm-1處為醚鍵C—O—C的伸縮振動吸收峰。可推測SC可能的結構式如圖3所示。

圖2 減水保坍型聚羧酸母液SC的紅外光譜

圖3 減水保坍型聚羧酸母液SC的分子結構

2.3 水泥凈漿試驗

將合成的減水保坍型聚羧酸母液SC與市售同類型母液（JS）進行水泥凈漿流動度對比試驗，外加劑折固摻量均為0.20%，測試結果如表5所示。

表5 SC和JS的水泥凈漿試驗結果

由表5可知，摻市售同類型母液JS的水泥凈漿初始流動度為182 mm，1 h流動度為186 mm，2 h流動度大幅減小至136 mm，2 h經時流動度損失達46 mm；相同摻量條件下，摻減水保坍母液SC的水泥凈漿初始流動度為206 mm，1 h流動度增大至228 mm，2 h流動度為212 mm，2 h經時流動度損失為-6mm。表明合成的減水保坍母液SC的分散性和分散保持性均優于市售同類型母液JS。

2.4 混凝土應用性能

為比較2種母液混凝土應用性能的差異，將市售減水緩釋母液JS與合成的減水保坍型聚羧酸母液SC加水稀釋至固含量為15%的外加劑溶液，然后按表3配合比進行C30混凝土試驗。混凝土攪拌機攪拌時間設定為2 min，觀察混凝土出機狀態，結果見圖4。2種混凝土的性能測試結果如表6所示。

圖4 摻JS與SC的混凝土出機狀態對比

由圖4可見：摻市售外加劑JS的混凝土，漿體較少且混凝土較為黏稠，流動性稍差，少許石子裸露于混凝土表面；摻合成減水保坍型聚羧酸母液SC的混凝土流動性較好，漿體富余，漿體對石子的包裹性較好。從混凝土狀態看，摻SC混凝土的流動性、保水性、粘聚性明顯優于摻JS的混凝土。

表6 混凝土性能測試結果

由表6可見：

（1）摻外加劑JS的混凝土初始坍落度為215 mm、擴展度550 mm，混凝土經時2 h坍落度損失為35 mm、擴展度損失為55 mm。相同摻量條件下，與摻JS的混凝土相比，摻SC的混凝土初始坍落度增大5 mm，擴展度增大25 mm；同時，混凝土坍落度和擴展度的2 h經時損失較小，2 h坍落度損失為5 mm，2 h擴展度損失為35mm。

（2）摻JS和SC混凝土的含氣量相差不明顯，混凝土凝結時間相同。

（3）摻SC混凝土的3、7、28 d抗壓強度分別較摻JS的混凝土提高了3.1、3.2、2.3 MPa。

從上述混凝土性能測試結果可知，合成的減水保坍型聚羧酸母液（SC）配制成15%外加劑應用于混凝土時，能明顯改善混凝土的流動性能，提高混凝土的保水性和保坍性，且在一定程度上提高了混凝土的抗壓強度，具有較高的應用價值。

3 結論

（1）由GPC分析結果可知，合成的減水保坍型聚羧酸母液SC的多分散系數為1.60，分子質量分布較窄；由紅外光譜分析表明，SC的分子結構中存在羧基、酯基、聚氧乙烯基等基團，與所設計減水劑分子結構相符。

（2）混凝土應用性能測試結果表明，摻減水保坍型聚羧酸母液SC所配制外加劑的混凝土較摻市售減水保坍母液JS所配制外加劑的混凝土的流動性、保水性、保坍性好。混凝土流動性具體表現為：混凝土初始擴展度較摻JS配制外加劑增大25 mm；混凝土保水性、保坍性具體表現為：摻SC混凝土的2 h坍落度經時損失僅5 mm，2 h混凝土擴展度損失僅35 mm，說明摻SC能有效改善混凝土的施工性能。

（3）與市售減水緩釋母液JS相比，合成減水保坍型聚羧酸母液SC能在一定程度上提高了混凝土的力學性能，摻SC的C30混凝土3、7、28 d抗壓強度分別可提高3.1、3.2、2.3 MPa。