蒙海寧，左李萍，許彥明，張敏杰，朱祥，陸小軍，伊立

（1. 鎮(zhèn)江建科建設(shè)科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；2. 江蘇鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004）

0 前言

混凝土減水劑是水泥基材料行業(yè)中應(yīng)用最廣的一種外加劑[1-2]。應(yīng)用外加劑從而減少水泥用量、降低環(huán)境能耗，是水泥基材料發(fā)展史上的一次飛躍。從 90 年代起，聚羧酸系高性能減水劑因其高減水率、良好的保坍性以及低摻量等優(yōu)點(diǎn)得到迅速的發(fā)展[3-4]。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)外水泥基材料研究的持續(xù)升溫，外加劑的研究得到迅速發(fā)展[5-6]。

本文通過(guò)自由基聚合法制備新型聚羧酸減水劑，并在此基礎(chǔ)上與市售聚羧酸減水劑和脂肪族減水劑進(jìn)行一系列的性能對(duì)比，以考證三種減水劑對(duì)不同水泥基材料性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 主要儀器與試劑

1.1.1 主要儀器

自由基聚合法合成裝置 1 套、恒溫加熱套（HWS-28，上海一恒科學(xué)儀器有限公司）、紅外光譜儀（Nexus670，美國(guó)尼高力儀器公司）、水泥膠砂攪拌機(jī)（JJ-5, 無(wú)錫建儀儀器機(jī)械有限公司）、混凝土攪拌機(jī)（JZC500，鄭州宏順機(jī)械設(shè)備有限公司）。

1.1.2 試劑

異戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、丙烯酸（AA，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、甲基丙烯磺酸鈉（MAS，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、3-巰基乙酸（TCG，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、過(guò)硫酸銨（APS，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）、異丙醇（分析純，鹽城市蘇普爾化學(xué)科技有限公司）、水泥（P·O 42.5，江蘇鶴林水泥有限公司）。

1.2 聚羧酸高性能減水劑的合成

圖 1 是以 TPEG 為主要單體制備的聚羧酸減水劑（PC）的化學(xué)結(jié)構(gòu)式。

圖 1 聚羧酸減水劑的結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)配比為 n(TPEG) : n(AA) : n(MAS) = 0.8 : 3.5 :0.4，鏈轉(zhuǎn)移劑（TCG）用量為單體總質(zhì)量的 0.5%，引發(fā)劑（APS）的量為單體總量的 0.8%。首先在四口圓底燒瓶中加入定量的 MAS 和 TPEG，加熱至 40℃，將MAS 和 TPEG 完全溶解，升溫到 65℃ 直至溶液澄清。同時(shí)以恒定的滴速滴加 AA 水溶液 2h、APS 水溶液2.5h，在滴加過(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢之后，繼續(xù)保溫熟化 1.5h。最后冷卻至室溫，加入 30% 的氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié) pH 值到 7 左右，即得到該樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

將羧酸共聚物用異丙醇多次洗滌沉淀，經(jīng)干燥，蒸除異丙醇并研磨后，用 KBr 壓片法制得樣品。將樣品用紅外光譜儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

在圖 2 自制聚羧酸紅外光譜圖中能明顯地看到羥基特征峰（3488cm-1），烴基的 C-H 伸縮振動(dòng)峰（2899cm-1），酯基特征峰（1716cm-1、1638cm-1、1323cm-1），醚鍵特征峰（1110cm-1），磺酸基特征峰（543cm-1）等官能團(tuán)的特征峰，說(shuō)明共聚物分子中含羧酸基、磺酸基、聚氧化乙烯基等功能性官能團(tuán)，理論上具備緩凝、減水等效果。

圖 2 聚羧酸減水劑的紅外光譜

2.2 對(duì)水泥、砂漿材料性能的影響

2.2.1 不同種類的減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度影響

為了驗(yàn)證減水劑的減水效果，對(duì)減水劑進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)，以檢測(cè)樣品在低摻量條件下的分散效果。試驗(yàn)測(cè)定加入 Sample-1（自制聚羧酸減水劑）、Sample-2（市售聚羧酸減水劑）和 Sample-3（市售脂肪族減水劑）三種減水劑的水泥凈漿在 0min、60min 及120min 內(nèi)的流動(dòng)度，用以比較三種樣品的分散性和分散保持性能，試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

表 1 不同樣品對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度影響試驗(yàn)

從表 1 可以看出，Sample-3 摻量為 0.4% 時(shí)，初始凈漿流動(dòng)度為 250mm，但在 60min 和120min 內(nèi)均有較大損失，即流動(dòng)度損失太大；Sample-1 的初始凈漿流動(dòng)度為 290mm，60min 后凈漿流動(dòng)度為 275mm，在60min 內(nèi)的流動(dòng)度有所損失，但此后降低程度較低，這說(shuō)明，Sample-1 具有較好的分散性及保持分散性的能力，性能也較 Sample-2 好。

2.2.2 砂漿減水率（表 2）

表 2 不同樣品對(duì)砂漿減水率的影響

從表 2 不同樣品對(duì)砂漿減水性能的影響數(shù)據(jù)來(lái)看，Sample-1 和 Sample-2 在摻量為 0.2% 時(shí)的砂漿減水率達(dá) 24.5% 和 22.3%，而 Sample-3 的砂漿減水率僅僅為18.6%，遠(yuǎn)低于聚羧酸減水劑，說(shuō)明聚羧酸類減水劑的砂漿工作性好，減水性能較好。

2.3 對(duì)混凝土材料性能的影響

對(duì)減水劑進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)，試驗(yàn)參照 GB/T 8076—2008、GB/T 50080—2016 和 JGJ/T 70—2009 等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)混凝土配合比為 C30 混凝土（CK-30，江蘇城科建設(shè)發(fā)展有限公司）配比，詳見(jiàn)表 3，試驗(yàn)用水量為使混凝土坍落度達(dá) (210±10)mm 時(shí)的量。

表 3 試驗(yàn)用 C 3 0 混凝土配比 k g/m3

2.3.1 減水率測(cè)定（表 4）

表 4 不同樣品對(duì)混凝土減水率的影響

從表 4 不同樣品對(duì)混凝土減水性能的影響數(shù)據(jù)來(lái)看，Sample-1 和 Sample-2 在摻量為 0.2% 時(shí)的混凝土減水率達(dá) 26.8% 和 20.2%，而 Sample-3 的混凝土減水率僅僅為 17.3%，與砂漿試驗(yàn)一樣，脂肪族減水劑其減水效果遠(yuǎn)低于聚羧酸減水劑。

2.3.2 混凝土坍落度及其保留值測(cè)定

坍落度是減水劑工作性的一個(gè)重要標(biāo)志，初始坍落度大小可用來(lái)說(shuō)明減水劑分散性，主要反映拌合物剪切屈服值的大小，而坍落度損失是使新拌混凝土迅速變稠的一種現(xiàn)象，減水劑對(duì)坍落度損失大小即可說(shuō)明減水劑分散穩(wěn)定性。試驗(yàn)測(cè)定了摻加三種樣品的混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失，結(jié)果見(jiàn)表 5。

表 5 減水劑的新拌混凝土坍落度保持性

從表 5 可以看出，摻入 Sample-1 的混凝土拌合物其初始坍落度為 220mm，30min 坍落度為 200mm，相較其它兩個(gè)樣品要高出 11% 和 33%，這說(shuō)明 Sample-1的保塑性效果較好，這能夠使混凝土拌合物在施工的過(guò)程中保持其成分均勻，不易發(fā)生離析、泌水等現(xiàn)象。

2.3.3 凝結(jié)時(shí)間差測(cè)定

水泥的凝結(jié)時(shí)間同樣也是重要的技術(shù)指標(biāo)之一，對(duì)于建筑工程的施工具有重要意義。本文測(cè)定了不同樣品的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間及時(shí)間差，并與空白樣進(jìn)行比較，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 6?？梢钥闯?，相比空白樣，摻入Sample-1、Sample-2 及 Sample-3 的三個(gè)試樣其初凝時(shí)間分別延緩了 50min、40min、20min，終凝時(shí)間分別延緩了 55min、35min、20min，試驗(yàn)結(jié)果表明，三個(gè)樣品均對(duì)混凝土具有很明顯的緩凝作用，其中，Sample-1 最明顯，其延緩初凝的效果較 Sample-2 及 Sample-3 分別提高了 25% 及 150%，延緩終凝的效果較 Sample-2 及Sample-3 分別提高了 57% 及 175%。

表 6 不同樣品對(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響

2.3.4 混凝土抗壓強(qiáng)度

混凝土的抗壓強(qiáng)度是最主要的力學(xué)性能，因而強(qiáng)度檢驗(yàn)是混凝土質(zhì)量的一個(gè)重要控制參數(shù)。加入減水劑后的混凝土質(zhì)量如何，需要通過(guò)其性能檢驗(yàn)的結(jié)果來(lái)表達(dá)。由于混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他強(qiáng)度，故可由抗壓強(qiáng)度來(lái)判斷混凝土的力學(xué)性能。試驗(yàn)對(duì)三種樣品進(jìn)行抗壓強(qiáng)度性能測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表 7?？梢钥闯?，相較于Sample-2 及 Sample-3，加入 Sample-1 的 3、7、28 天抗壓強(qiáng)度比均最高。

表 7 混凝土抗壓強(qiáng)度的測(cè)定

3 結(jié)論

本文利用紅外光譜對(duì)自由基聚合法制備的聚羧酸減水劑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征同時(shí)與市售聚羧酸和脂肪族兩種減水劑的性能進(jìn)行了對(duì)比，所得結(jié)論如下：

（1）通過(guò)紅外光譜所做的官能團(tuán)分析知，自制聚羧酸減水劑是分子結(jié)構(gòu)中含有醚基、羧基、磺酸基等多種官能團(tuán)的共聚物，理論上具有減水、緩凝的作用。

（2）Sample-1（自制聚羧酸減水劑）在摻量為 0.2% 時(shí)，初始流動(dòng)度達(dá) 290mm，在 60min 后為275mm，凈漿流動(dòng)度有所損失，但較同樣條件下其他減水劑流動(dòng)度損失較小，說(shuō)明其對(duì)水泥具有較好的分散性和分散保持性，水泥具有較好的適應(yīng)性。

（3）用 Sample-1 配制的混凝土和易性好、粘聚性好、減水率高，沒(méi)有產(chǎn)生離析、泌水等現(xiàn)象。Sample-1在摻量為 0.2% 時(shí)，砂漿減水率達(dá) 24.5%，混凝土減水率高達(dá) 26.8%，減水效果顯著。

（4）初始坍落度為 220mm，30min 后坍落度為200mm，水泥漿體的流動(dòng)性好，且坍落度損失較小，說(shuō)明合成 Sample-1 保塑性效果好。

（5）根據(jù)減水劑凝結(jié)時(shí)間測(cè)定結(jié)果分析，Sample-1 的混凝土拌合物的初凝和終凝時(shí)間都有較大的延長(zhǎng)，表明 Sample-1 具有較好的緩凝作用。

（6）Sample-1 有優(yōu)異的增強(qiáng)效果，與空白樣相比，混凝土各齡期的強(qiáng)度均有較大的提高，當(dāng)自制聚羧酸減水劑摻量為 0.2% 時(shí)，3d 強(qiáng)度提高 51%，7d 強(qiáng)度提高 56%，28d 強(qiáng)度提高 41%。

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