新型聚羧酸系保坍剂的合成与性能研究

2013-03-22廖国胜何正恋

建材世界 2013年4期

廖国胜，何正恋，刘佩

（武汉科技大学，武汉430065）

随着交通、水电、市政等基础建筑事业的高速发展，大跨度桥梁、高楼大厦以及高铁隧道等大型工程建设的兴起，混凝土外加剂得到了广泛的应用，特别是聚羧酸类减水剂［1］。相比于传统的减水剂，聚羧酸类减水剂具有分散性好、减水率高、分子结构灵活、环境友好等优点［2－3］。建设工程中要求混凝土外加剂要和混凝土有良好的适应性，但是在实际工程中，聚羧酸类减水剂经常遇到坍落度损失过快等问题［4］。该研究主要是从减水剂的“吸附－分散”及坍落度保持机理出发，通过一步法使改性聚醚与不饱和羧酸共聚，在引入阴离子表面活性基团的条件下，然后通过合理的分子结构设计，开发出性能优异的聚羧酸系高性能保坍剂［5］。

1 新型聚羧酸系保坍剂的设计思路

混凝土坍落度损失的根本原因在于水泥的水化反应，水泥遇水发生水化反应，随着水化反应的进行，一部分自由水在水泥颗粒凝聚的过程中被包裹，另一部分自由水被蒸发掉了，造成混凝土浆体中的自由水的逐渐减少［6］。通过一步法使改性聚醚与不饱和羧酸共聚，在引入阴离子表面活性基团的条件下，制备出具有羧基、羟基、磺酸基等阴离子活性基团的聚羧酸保坍剂。聚羧酸保坍剂的负电荷（羧基、羟基、磺酸基等阴离子）就会和水泥颗粒表面的正电荷相互作用，使保坍剂分子牢固的吸附在水泥颗粒表面，造成水泥颗粒表面形成一层双电子层。这样每个水泥颗粒的表面就会带有相同的电荷，由于同种电荷相互排斥，水泥颗粒就会分散开来。水泥颗粒的絮凝结构被破坏，里面被包裹的自由水被释放出来参与流动，从而有效地增加混凝土拌合物的流动性［7－9］。

2 新型聚羧酸系保坍剂的研制

2.1 试验主要仪器

恒温水浴箱，三口烧瓶，电动机，LT1002精密性电子天平，滴管，烧杯。

2.2 合成原料

合成原料如表1所示。

表1 合成原料

2.3 合成步骤

用TPEG、丙烯酸，蒸馏水配置一定量的底料，用复合分子量调节剂、引发剂、蒸馏水配置定量的A料和B料，然后将底料加入到装有搅拌器的三口烧瓶中。将水浴锅的温度升至70℃，把装有底料的三口烧瓶放置水浴锅中加热搅拌。然后同时连续均匀向三口烧瓶中滴加A料和B料，A料的滴加时间控制在2.5h，B料的滴加时间控制在3.0h，待A料和B料滴加完后，继续保温1h，最后用30%氢氧化钠溶液调节pH值至6.0～7.0，即得聚羧酸系保坍剂。

3 产品性能研究

3.1 水泥净浆测试

试验材料：减水剂TB－40（湖北兴祥科技有限公司）；自制高效保坍剂；昌阁P·O 42.5硅酸盐水泥。

试验条件及方法：净浆流动度测试参照GBT 8077—2000混凝土外加剂均质性试验方法中的水泥净浆流动度测试方法。

为了研究制得的聚羧酸保坍剂的效果，采用空白对照组和掺加市面上销售的台界保坍剂对照组的试验方法，固定减水剂掺量均为0.4%，保坍剂取代20%的减水剂（TB－40）母液，分别测试0min、30min、60min、90min的水泥净浆流动度，实验结果如表2所示。

表2 保坍剂性能对比实验结果

从表2可以看出，在没有掺加任何保坍剂的情况下，90min后的水泥净浆流动度损失很大。在掺加台界保坍剂的情况下，60min后的水泥净浆流动度损失不多，但是90min后的水泥净浆流动度损失也很大，但是相比不掺加保坍剂的空白对照组要好，说明台界保坍剂对保持混凝土流动性还是有效果的。掺加自制保坍剂的实验组与掺加台界保坍剂的对照组相比，各个测试时间点的净浆流动度有所提高，并且60min后的水泥净浆流动度基本没有损失，90min后的净浆流动度有损失，但不是很大。说明该保坍剂在一定程度上有助于提高水泥的流动度，而且在90min后依旧可以保持较高的流动度，保坍效果较好。

3.2 保坍剂与水泥适应性的研究

在实际工程中，由于水泥的品类不同，会造成聚羧酸保坍剂与水泥适应性问题。本实验主要是对掺加聚羧酸保坍剂水泥净浆进行流动度测试，通过水泥净浆经时损失分析该保坍剂的水泥适应性问题。实验材料选用华祥、华新、昌阁、雷山水泥与自制的减水剂和聚羧酸保坍剂，其中减水剂掺量为0.4%，保坍剂取代20%的减水剂（TB－40）母液。实验结果如表3所示。

表3 水泥适应性实验结果

从表3可以看出，对于华祥水泥，初始流动度最好，并且在1h后基本没有损失，90min后损失也不是很大。相比较其他各品牌水泥，对于昌阁水泥，初始流动度最小，且90min后损失也是最大的。华新水泥和雷山各时间点流动度大致相同，水泥适应性相差不是很大。总体可以说明，该聚羧酸保坍剂与大部分水泥的适应性良好。

3.3 红外光谱分析

为了对这种聚羧酸保坍剂的微观结构有进一步了解，我们用红外光谱对其分子结构进行表征，如图1所示。

由红外光谱图可知，该聚羧酸保坍剂在3 437.2cm－1处出现又宽又强的吸收峰，这是因为分子内出现了缔合羟基O—H（3 500～3 000cm－1）的原因，说明接枝长侧末端的－OH形成了大量的分子内氢键［9］。在2 879.7cm－1处出现吸收峰，这主要是因为接枝上甲基丙烯磺酸钠的亚甲基中C—H伸缩振动所致。在1 734cm－1处出现特征峰，这是因为该聚羧酸保坍剂结构中有酸酐（1 755～1 745cm－1）的原因。在1 653.0cm－1处出现了特征吸收峰，这是羧酸盐的吸收峰（1 750～1 550cm－1），从而说明丙烯酸已经接枝共聚成为聚羧酸保坍剂结构中的一部分。在1 473.6cm－1处也出现了特征吸收峰，主要是－CH2的伸缩峰。另外在1 107.1cm－1和952.8cm－1附近也出现了特征吸收峰，这主要是C—O—C的醚键伸缩振动峰。

综上所述，通过共聚反应，在TPEG型结构中成功引入了羧基、聚氧乙烯醚基、磺酸基等阴离子官能团，这些都与预先设计的结构相符合，从而得到新型聚羧酸系保坍剂。