基于大分子酯合成的聚羧酸類(lèi)混凝土用減水劑實(shí)驗(yàn)研究

高珊珊,李利利,張?jiān)３?/p>

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

減水劑是一種能夠減少拌合用水量的混凝土外加劑，并且在此基礎(chǔ)上還可以維持混凝土原本的坍落度。大多數(shù)減水劑屬于陰離子表面活性劑，一般包括萘磺酸鹽甲醛聚合物、木質(zhì)素磺酸鹽等[1]。在混凝土拌合物中加入減水劑可以起到分散水泥顆粒的作用，可以改善混凝土拌合物的流動(dòng)性及減少單位用水量。聚羧酸減水劑則是一種性能較強(qiáng)的減水劑，在高層建筑、隧道、大壩、橋梁、公路等大型基建領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，然而不同廠家制備聚羧酸類(lèi)減水劑的方法各不相同，并普遍存在副產(chǎn)物雜質(zhì)過(guò)高的問(wèn)題，因此需要對(duì)聚羧酸類(lèi)減水劑的制備方案進(jìn)行深入探索[2]。

1 聚羧酸減水劑的合成實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料準(zhǔn)備

聚乙二醇單甲醚M1000（科萊恩化工有限公司）、丙烯酸（巴斯夫中國(guó)有限公司）、烯丙基磺酸鈉（巴斯夫中國(guó)有限公司）、過(guò)硫酸銨（上海凌峰化學(xué)試劑有限公司）、對(duì)甲苯磺酸（廣東光華化學(xué)廠）、吩噻嗪（珠海市銳凱公司）、P-II 42.5水泥（廣州珠江水泥有限公司）、標(biāo)準(zhǔn)砂（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)砂廠）、消泡劑（韓國(guó)Nopco公司）。

1.2 設(shè)備與儀器準(zhǔn)備

電動(dòng)攪拌機(jī)（上海南匯慧明食品廠），DKM型控溫電熱套（海寧市新華醫(yī)療器械廠），溫度計(jì)、分水器、冷凝管、四口燒瓶，真空泵（臺(tái)州市黃巖匯豐真空設(shè)備廠），水泥凈漿流動(dòng)度試模（無(wú)錫建材實(shí)驗(yàn)儀器廠）。

1.3 大分子酯的合成

以對(duì)甲基苯磺酸為催化劑，聚乙二醇單甲醚M1000和丙烯酸摩爾比為1:1.2，再加入適量阻聚劑[3]，加入適量的甲苯作為回流溶劑，酯化反應(yīng)溫度為140℃，反應(yīng)時(shí)間為6h，最后獲取酯化大分子混合物，作用原理如下[4]：

2 聚羧酸減水劑的合成

首先將甲基丙烯酸、烯丙基磺酸鈉、酯化大分子混合物按一定的比例混合，并將其加熱至90℃，在此過(guò)程中緩慢滴加引發(fā)劑過(guò)硫酸銨[5]。經(jīng)過(guò)4h的加熱處理后結(jié)束反應(yīng)，利用Na2OH調(diào)節(jié)反應(yīng)物酸堿度至pH=7，最終獲取聚羧酸減水劑，作用原理如下[6]：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 羥基含量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

水泥的水化過(guò)程本質(zhì)上是水泥中C4A F、C3A、C2S、C3S等熟料成分與水發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程[7]，進(jìn)而生成硫酸鋁鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣C3AH6、水化硅酸鈣C3H2S3，其主要成分C2S和C3S的水化反應(yīng)過(guò)程具體如下：

水泥在水化的過(guò)程中，液相中SiO32-、OH—、Ca2+等離子的深度也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，具體表現(xiàn)為離子的析出與溶入[8]。隨著聚羧酸共聚物的加入，水泥的液相電導(dǎo)率會(huì)隨之下降，進(jìn)而使水泥的水化速率降低，起到一定的緩凝效果[9]。該作用的具體原理為，聚合物中的羰基與鈣離子發(fā)生反應(yīng)并生成鈣離子聚羧酸配合物，將聚羧酸共聚物加入水泥并發(fā)生水化后，會(huì)生成Ca2+聚酸配合物，進(jìn)而引起游離態(tài)Ca2+濃度下降，進(jìn)而產(chǎn)生緩凝效果[10]。

聚羧酸減水劑中羥基的含量很大程度上會(huì)影響到水泥的凝結(jié)時(shí)間，本章通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)分析羥基含量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響。稱(chēng)取300g普通硅酸鹽、84g蒸餾水以及3g聚羧酸減水劑樣品，并將其攪拌均勻，測(cè)定水泥凝結(jié)時(shí)間，反應(yīng)溫度均為20℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如見(jiàn)表1。

表 1 羥基含量對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響Table 1 Effect of hydroxyl content on setting time of cement

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水泥中的羥基含量與緩凝時(shí)間成正比，而在羥基含量過(guò)高的情況下，則會(huì)出現(xiàn)水泥不凝結(jié)的問(wèn)題。

3.2 磺酸基含量對(duì)減水劑分散性的影響

減水劑分子中的SO3負(fù)離子為親水基團(tuán)，水泥顆粒四周在新水基團(tuán)的影響下會(huì)帶上負(fù)電荷，進(jìn)而起到分散作用[11]，進(jìn)而產(chǎn)生減水效果，尤其是在磺酸基的作用下，聚羧酸系減水劑的水溶性也會(huì)得到明顯的提升，可見(jiàn)減水劑的性能與磺酸基的含量有直接關(guān)系[12]。研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了磺酸基含量對(duì)減水劑分散性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表 2 磺酸基含量對(duì)減水劑分散性的影響Table 2 Effect of sulfoic acid group content on the dispersibility of water reducing agent

經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，聚羧酸減水劑中磺酸基含量越高，聚合物的減水率也就越高，進(jìn)而顯著提升減水劑的減水性能，但在磺酸基達(dá)到一定濃度的情況下，水泥顆粒上所吸附的磺酸根離子不會(huì)繼續(xù)明顯增加，若要繼續(xù)強(qiáng)化減水性能可能還需要對(duì)其他反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。

3.3 聚羧酸減水劑與消泡劑的復(fù)配

本研究所配制出的減水劑并不具備消泡性能，若應(yīng)用于水泥砂漿和混凝土中會(huì)產(chǎn)生較多氣體。然而，在混凝土含量過(guò)高的情況下，常規(guī)的振搗處理很難完全排出混凝土中的氣泡，進(jìn)而出現(xiàn)墻體麻面或氣孔過(guò)多的問(wèn)題，既影響墻體外觀也影響工程質(zhì)量，因此有必要在聚羧酸減水劑中加入適量的消泡劑[13]。

應(yīng)用于聚羧酸減水劑中的消泡劑需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在于混凝土體系中并發(fā)揮良好的消泡作用。本研究所使用的消泡劑為韓國(guó)NOPUCO公司所生產(chǎn)的561型消泡劑，并對(duì)最終的消泡效果進(jìn)行觀察。

水泥漿的配比成分如下：水泥300g，蒸餾水3g，外加劑A（50%聚羧酸外加劑）3g，加外劑B（50%聚羧酸外加劑+0.5%消泡劑）3g。

經(jīng)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，將消泡劑加入于聚羧酸減水劑中不會(huì)對(duì)外加劑的分散性造成影響，并且會(huì)顯著強(qiáng)化水泥凈漿的泌水效果，說(shuō)明漿料含氣量明顯降低。

表3 減水劑有無(wú)消泡劑對(duì)比Table 3 Comparison of water reducing agent and defoamer

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了聚羧酸類(lèi)混凝土用減水劑的制備原理與制備方法，并對(duì)該類(lèi)減水劑的性能特點(diǎn)以及相關(guān)的改善方法進(jìn)行了具體的分析。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在聚羧酸系減水劑的分子結(jié)構(gòu)中，羥基含量與減水劑的緩凝性能成正比，可以對(duì)混凝土起到較好的緩凝作用；在合理范圍內(nèi)提升磺酸基含量有助于增加聚合物的減水率；于聚羧酸系減水劑中加入適量的消泡劑可以有效去除混凝土中的空氣，使混凝土強(qiáng)度得到有效的提升。