醚類聚羧酸系高性能減水劑的研究與應(yīng)用

吳長龍，辛德勝，王躍松，荀武舉，張 煒，姜海剛

醚類聚羧酸系高性能減水劑的研究與應(yīng)用

吳長龍，辛德勝，王躍松，荀武舉，張 煒，姜海剛

（大連市建筑科學研究設(shè)計院股份有限公司，遼寧 大連 116021）

按照分子設(shè)計和正交實驗的方法，采用甲基烯丙基聚醚單體，與其他小分子單體進行自由基聚合，合成具有不同分子結(jié)構(gòu)的醚類聚羧酸系高性能減水劑。研究結(jié)果表明,最佳聚合工藝參數(shù)為：丙烯酸與甲基烯丙基聚醚的摩爾比為3.5，引發(fā)劑用量為0.5%,溫度為70 ℃。使用合成的樣品進行了水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土實驗。該合成樣品經(jīng)工業(yè)放大和復(fù)配后的產(chǎn)品DK-PC聚羧酸高性能減水劑已應(yīng)用于實際工程，效果良好。

醚類聚羧酸系高性能減水劑；分子設(shè)計；自由基聚合；甲基烯丙基聚醚

傳統(tǒng)減水劑（如木質(zhì)素磺酸鹽和萘系減水劑）存在減水率不高,新拌混凝土坍落度損失過快等問題,難以滿足高性能混凝土發(fā)展的要求，聚羧酸系高性能減水劑具有摻量低、減水率高、混凝土坍落度損失小等優(yōu)點，逐漸成為國內(nèi)外混凝土減水劑領(lǐng)域的研究熱點[1-6]。本文采用一步法合成工藝，由甲基烯丙基聚醚單體、丙烯酸等進行自由基聚合，合成醚類聚羧酸系高性能聚羧酸減水劑。

1 實驗部分

1.1 原材料

丙烯酸（AA），化學純；甲基烯丙基聚醚（J20），工業(yè)品；過硫酸鉀（APS），分析純；去離子水，工業(yè)品；氫氧化鈉，分析純。

1.2 主要儀器及設(shè)備

（1）玻璃儀器

四口燒瓶、溫度計、回流冷凝管、玻璃棒、燒杯、容量瓶、錐形瓶、吸管、滴液漏斗等。

（2）主要設(shè)備

DF-101S集熱式磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責任公司；JJ-1型電動攪拌器，江蘇省金壇市醫(yī)療儀器廠；分析天平，賽多利斯科學儀器（北京）有限公司；水泥凈漿攪拌機，滄州智晟試驗儀器廠；行星式水泥膠砂攪拌機，沈陽市建工儀器廠；101-2電熱鼓風干燥箱，北京中克試驗儀器廠；HJW-30型砼攪拌機，上海力盾電氣有限公司。

1.3 實驗步驟

1.3.1 醚類聚羧酸系高性能減水劑的合成

往四口燒瓶中加入計量的去離子水，甲基烯丙基聚醚，加熱到一定溫度，同時滴加丙烯酸水溶液和過硫酸鉀水溶液，滴加完后保溫2～3 h。反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)好的聚合物降溫至 50 ℃以下，邊攪拌邊加入定量的30%堿液，調(diào)節(jié)pH值=7～8，得到一系列醚類聚羧酸系高性能減水劑。

1.3.2 產(chǎn)品性能測試

按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》中規(guī)定的方法分別測定水泥凈漿流動度和水泥砂漿減水率；按GB 8076—1997《混凝土外加劑》中規(guī)定的試驗方法分別測定混凝土坍落度和混凝土抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 醚類聚羧酸系高性能減水劑的合成

選用甲基烯丙基聚醚（下簡稱J20）、丙烯酸等小分子單體，選擇AA/J20（丙烯酸與J20的摩爾比）、APS%（引發(fā)劑用量）、T（溫度）為因素，保持濃度、投料方式不變，選取 L9(34)正交表進行實驗，見表 1，根據(jù)實驗結(jié)果評價各因素對減水劑性能的影響，確定最佳配合比。采用小野田 P.O42.5，W/C=0.27，聚羧酸減水劑摻量為水泥質(zhì)量分數(shù)的0.24% (以固含量計)

由表 1極差分析結(jié)果可以看出,APS%(引發(fā)劑用量)對醚類聚羧酸減水劑的分散性能影響最大，其次是T（反應(yīng)溫度），AA/J20（丙烯酸與J20的摩爾比）對醚類聚羧酸減水劑的分散性能影響最小。從正交實驗結(jié)果初步確定M8為最佳組合，即丙烯酸與J20的摩爾比為 3.5, 引發(fā)劑用量為0.5%，溫度為70 ℃。

2.2 聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用研究

使用合成的M8樣品進行了大量水泥凈漿、水泥砂漿、混凝土實驗，結(jié)果如下。

2.2.1 聚羧酸減水劑對水泥凈漿的影響

采用大連地區(qū)4種P.O32.5水泥，W/C=0.27，聚羧酸減水劑M8的摻量為水泥質(zhì)量分數(shù)的0.24%(以固體計),試驗結(jié)果見表 2。從表 2可以看出,M8對4種水泥都有較好的適應(yīng)性。

2.2.2 聚羧酸系減水劑對水泥砂漿的影響

由表3可以看出，隨著摻量的增加,M8在水泥砂漿中的減水率也逐漸提高,當摻量為0.5%時,減水率達到36.6%。

2.2.3 聚羧酸系減水劑對混凝土的影響

由表4可以看出，隨著M8摻量的增加,混凝土的用水量逐漸減少，當M8摻量為0.25%以上時,混凝土坍落度1 h無損失,而且摻M8混凝土抗壓強度較空白有很大提高，3天抗壓強度可提高200%，28天抗壓強度可提高100%。

表1 各因素對聚羧酸減水劑聚合工藝的影響Table 1 Effects of every factors on polymerization process of polycarboxylic acid type high-performance water-reducing agent

表2 摻聚羧酸系減水劑的水泥凈漿試驗Table 2 Experiments of cement paste of Polycarboxylic acid superplastic agent

表3 摻聚羧酸減水劑的水泥砂漿試驗Table 3 Experiments of cement mortar of Polycarboxylic acid superplastic agent

2.3 工業(yè)化生產(chǎn)及實際應(yīng)用

2.3.1 工業(yè)化生產(chǎn)

基于以上研究結(jié)果，使用5 000 L反應(yīng)釜對M8樣品進行工業(yè)放大生產(chǎn)，生產(chǎn)情況如表5。

表5數(shù)據(jù)說明，工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品與實驗室小試樣品基本一致，生產(chǎn)工藝基本穩(wěn)定。

表4 摻聚羧酸減水劑的混凝土試驗Table 4 Experiments of concrete of Polycarboxylic acid superplastic agent

表5 聚羧酸減水劑生產(chǎn)情況Table 5 The production status of polycarboxylic acid superplastic agent

2.3.2 實際應(yīng)用

使用合成樣品（M8）工業(yè)放大和復(fù)配后的產(chǎn)品（即DK-PC聚羧酸高性能減水劑），先后在大連市多家商品混凝土攪拌站進行實驗，積累了大量實驗數(shù)據(jù)，并在大連市一些重點工程中應(yīng)用。

（1）大連中心.裕景項目

大連中心?裕景項目是目前為止大連最大的商業(yè)地產(chǎn)項目，總建筑面積約80 萬m2，總占地約6.23萬m2，項目計劃總投資約60多億元。項目由五棟高層和部分商業(yè)裙樓構(gòu)成?；炷恋燃墸篊60。目前該工程已應(yīng)用DK-PC聚羧酸高性能減水劑15 t，使用效果良好，并將繼續(xù)使用。

（2）大連市地鐵工程

大連市地鐵工程是大連有史以來最大的城市交通基礎(chǔ)設(shè)施工程，按照規(guī)劃,大連市地鐵工程線路總長 67.62 km,共設(shè) 50座車站。工程估算總投資287.38億元?；炷恋燃墸篊40。目前該工程已應(yīng)用DK-PC聚羧酸高性能減水劑10 t，使用效果良好，并將繼續(xù)使用。

3 結(jié) 論

（1）選用甲基烯丙基聚醚（J20）、丙烯酸等小分子單體合成醚類聚羧酸高性能減水劑，確定最佳聚合工藝參數(shù)為：丙烯酸與J20的摩爾比為3.5、引發(fā)劑用量為0.5%,溫度為70 ℃。

（2）通過水泥凈漿、砂漿和混凝土實驗，表明自制的醚類聚羧酸系高性能減水劑（M8）具有低摻量、減水率高、水泥適應(yīng)性廣、保坍性好、增強效果好等突出優(yōu)點。

（3）經(jīng)工業(yè)放大合成和復(fù)配的DK-PC聚羧酸高性能減水劑產(chǎn)品具有產(chǎn)品穩(wěn)定性好、生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)過程環(huán)保等突出優(yōu)點，在應(yīng)用過程中可以滿足高性能混凝土生產(chǎn)的要求。

[1] 馬保國,譚洪波,潘偉,等.聚羧酸系混凝土減水劑合成工藝及性能研究[J].新型建筑材料, 2007(6)：48-50.

[2] 李崇智，馮乃謙，王棟民，等.梳狀聚羧酸系減水劑的制備、表征及其作用機理[J].硅酸鹽學報，2005，33(1)：87-92.

[3] 壽崇琦,康杰分,宋南京,等.含不飽和聚醚的新型羧酸類減水劑的合成與應(yīng)用[J].混凝土, 2007(1):59-63.

[4] 姜玉,龐浩,廖兵.聚醚側(cè)鏈聚羧酸類減水劑的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用性能[J].化工進展, 2008, 27(5):733-735.

[5] 沈軍,傅樂峰,馮中軍,等.聚醚基超塑化劑的合成及性能研究[J].混凝土, 2005(6):61-64.

[6] 萬朝均.超高強高性能混凝土研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].重慶建筑大學學報，1999，21(1)：49-51.

Research and Application of Ether Polycarboxylic Acid Type High Performance Water-Reducing Agent

WU Chang-long，XIN De-sheng，WANG Yue-song，XUN Wu-jv，ZHANG Wei，JIANG Hai-gang
(Dalian Architectural Science Research ＆Designing Institute Co.Ltd，Liaoning Dalian 116021，China）

According to the molecular design and orthogonal experiment, ether polycarboxylic acid type high performance cluster water-reducing agent with different molecular structure was synthesized by radical polymerization of methyl allylic polyether monomer and other small molecule monomers. The results show that the optimum polymerization conditions are as follows： mole ratio of crylic acid to methyl allylic polyether 3.5, initiator dosage 0.5%, temperature 70 ℃. The synthesized samples were used to perform experiments of cement paste,cement mortar and concrete. Polycarboxylic acid type high performance water-reducing agent DK-PC gained by industrialization enlarge experiment and compound has been applied to practical project and good results have been achieved.

Ether polycarboxylic acid type high-performance water-reducing agent；Molecular design；Radical polymerizetion；Methyl allylic polyether

TQ 216

A

1671-0460（2010）06-0617-03

2010-11-5

吳長龍（1972-），男，高級工程師，碩士學位，遼寧大連人，1995年畢業(yè)于哈爾濱建筑大學建筑材料專業(yè)，研究方向：從事建筑材料技術(shù)工作。E-mail：changlong.wu@263.net，電話：134 7858 3666。