改性碱木素减水剂在混凝土中的试验研究＊

陈建国

（广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023）

改性碱木素减水剂在混凝土中的试验研究＊

陈建国

（广西壮族自治区水利科学研究院，广西 南宁 530023）

本研究将碱木素化学改性，制备了改性碱木素减水剂。分析了改性碱木素减水剂的分子结构，研究了改性碱木素减水剂对混凝土减水率、含气量、抗压强度比及微观性能的影响。研究结果表明，改性碱木素减水剂的减水率达到 18.1%，28d抗压强度比达到 138%，改性碱木素减水剂不仅可以优化混凝土孔结构，还可增加水泥水化产物的致密性。不但可以代替木质素磺酸盐减水剂使用，还可单独作为高效减水剂使用。

改性碱木素；减水率；含气量；抗压强度比；微观性能

碱木素主要来源于造纸废液，是一种具有表面活性特殊性能的天然高分子化合物[1-2]，直接排放，会成为环境负担。研究表明，通过氧化、磺化、缩合聚合及接枝共聚等方法改性[3-6]，可提高改性碱木素表面的活性，使之具有较好的分散性。本研究通过氧化、磺化反应，并与脂肪族减水剂进行缩合反应，对碱木素进行改性，以获得较高减水率的改性碱木素减水剂。

1 试验

1.1 原材料

碱木素：由武汉华东化工有限公司提供；基准水泥；细集料：南宁产河砂，中砂；粗集料：南宁市武鸣县产的(5～20)mm 石灰岩碎石。

1.2 试剂

氢氧化钠：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；无水亚硫酸钠：分析纯，天津基准化学试剂有限公司；双氧水：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；甲醛：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；无水乙醇：分析纯，成都市科龙化工试剂厂。

1.3 试验方法

红外光谱分析：在 Thermo Nicolet NEXUS 型傅立叶变换红外光谱仪上用溴化钾压片法测定改性碱木素磺酸盐减水剂的红外吸收光谱；净浆流动度测定：参考 GB 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行；混凝土减水率、含气量、抗压强度比测定：参照 GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行。混凝土孔径分布采用扫描电子显微镜背散射图像分析测量，实验选择国内外普遍使用的专业 Image-Pro Plus 微观图像处理软件，对孔隙的基本参数进行测定，水泥水化产物采用日立 S-4800 场发射扫描电镜进行测试。

1.4 改性碱木素减水剂的合成

碱木素氧化、磺化改性工艺：在三口烧瓶中加入一定比例的碱木素和水，搅拌溶解。加热升温到 90℃，加入少量催化剂，恒温 (10～15) 分钟。用氢氧化钠调节溶液 pH 为9～10，向反应溶液中缓慢滴加双氧水溶液，同时防止温度过快上升。将温度控制在 (95～100)℃ 反应 1 小时。反应完毕后，向溶液中先后加入磺化剂和甲醛溶液，继续在同温度下反应 3 小时。

碱木素缩合工艺：以优化工艺合成的脂肪族减水剂，升温至 60℃，投入经氧化、磺化的碱木素溶液，升温至(75～85)℃，反应 (2～4)h 后，降温至 40℃ 即可。

2 改性碱木素减水剂分子结构分析

图 1 所示的改性碱木素减水剂的红外吸收光谱图中，波数 3420cm-1归属减水剂分子中的羟基，波数 2990cm-1归属饱和 C-H 的伸缩振动，波数 1650cm-1归属大分子芳环中 C=C振动，波数 1510cm-1归属甲基、亚甲基和次甲基的非对称弯曲振动，波数 1180cm-1和 1650cm-1归属分子中的羧基伸缩振动，波数 1040cm-1归属分子中的磺酸基伸缩振动。可见，改性碱木素磺酸盐减水剂中含有羟基、磺酸基、羧基等官能团。

图 1 改性碱木素减水剂的红外吸收光谱图

3 掺改性碱木素减水剂混凝土性能分析

3.1 掺改性碱木素减水剂的水泥净浆流动性能

实验测定掺减水剂后的水泥净浆流动度随时间的变化，实验结果如表 1 所示。由表 1 可见，掺改性碱木素减水剂的水泥净浆流动度损失与掺碱木素减水剂的水泥净浆流动度损失相比，掺碱木素减水剂的水泥净浆流动度损失较大。2h时后，掺碱木素减水剂的水泥净浆流动度由 198mm 降到了80mm，水泥浆体几乎不流动；掺碱木素减水剂的水泥净浆流动度为 80cm，相对流动度损失率为 60%；掺磺化碱木素样品的流动度为 169cm，相对流动度损失率为 23%。说明改性碱木素减水剂的流动度损失较改性前有较大改善，改性碱木素减水剂具有流动度损失小的优点。

表 1 水泥净浆流动度与时间的关系

3.2 对减水率的影响

测定掺减水剂后的减水率随掺量的变化，实验结果如图2 所示。由图 2 可见，掺改性碱木素减水剂的减水率与掺碱木素减水剂的减水率相比，掺改性碱木素减水剂的掺量较低，减水率较大。0.8% 掺量时，掺碱木素减水剂的减水率达到11.7%，掺改性碱木素减水剂的减水率达到 18.1%，与碱木素减水剂相比，改性碱木素减水剂的减水率提高了 55%。说明改性碱木素减水剂的减水率较改性前有较大改善，改性碱木素减水剂具有减水率大的优点。

图 2 减水率与减水剂掺量的关系

3.3 对混凝土含气量的影响

测定掺减水剂后的混凝土含气量随时间的变化，结果如表 2 所示。由表 2 可见，掺碱木素减水剂混凝土初始含气量6.0%，掺改性碱木素减水剂混凝土初始含气量 2.5%，掺改性碱木素减水剂混凝土含气量下降了 58%；60min 时，掺碱木素减水剂混凝土含气量 4.8%，掺改性碱木素减水剂混凝土含气量 1.9%，掺改性碱木素减水剂混凝土含气量下降了60%；120min 时，掺碱木素减水剂混凝土含气量 2.6%，掺改性碱木素减水剂混凝土含气量 1.5%，掺改性碱木素减水剂混凝土含气量下降了 67%；说明改性碱木素减水剂克服了碱木素本身引气过大的缺陷。

表 2 混凝土含气量与时间的关系

3.4 对混凝土抗压强度的影响

测定掺碱木素减水剂混凝土、掺改性碱木素减水剂混凝土、基准混凝土的 3d、7d、28d 抗压强度，同一龄期测得的实际抗压强度除以基准混凝土的抗压强度，得到抗压强度比，结果如表 3 所示。当掺入水泥质量 0.5% 的改性碱木素减水剂，混凝土 7d 和 28d 抗压强度比分别达到 132% 和138%。结果表明：低掺量的改性碱木素能提高混凝土的强度。

表 3 减水剂对混凝土抗压强度比的影响

3.5 对混凝土孔结构的影响

分别测定掺碱木素减水剂混凝土、掺改性碱木素减水剂混凝土 28d 龄期时的孔结构，由图 3、图 4 可见，外加剂掺入混凝土后，改善了混凝土内部的孔结构，使得混凝土内部大孔减少，小孔增多。掺改性碱木素减水剂改善混凝土内部结构的作用更大。

图 3 掺碱木素减水剂混凝土孔结构

图 4 掺改性碱木素减水剂混凝土孔结构

3.6 对混凝土水化产物的影响

图 5 所示，掺碱木素减水剂水泥浆体水化 28d 时，形成了均匀的 C-S-H 凝胶，且相互连接，紧密堆积，有大量的钙矾石晶体及 Ca(OH)2晶体。图 6 所示，掺改性碱木素减水剂水泥浆体可以看到水化产物 Ca(OH)2结晶度较好，且生成的片层状 Ca(OH)2，结晶取向相互交错，同时伴生在周围的水化凝胶将其紧密包裹，这将有利于提高材料的抗渗性和耐久性。

图 5 掺碱木素减水剂混凝土水化 28d 形貌

图 6 掺改性碱木素减水剂混凝土水化 28d 形貌

4 结论

（1）利用氧化、磺化手段改性处理碱木素，可制备分散性较好并且含有羟基、磺酸基、羧基等官能团的改性碱木素减水剂。

（2）掺改性碱木素减水剂混凝土减水率可以达到18.1%，7d 和 28d 抗压强度比分别达到 132% 和 138%，并且克服了碱木素本身引气过大的缺陷。

（3）改性碱木素减水剂掺入混凝土，改善了混凝土内部的孔结构，使得混凝土内部大孔减少，小孔增多；掺改性碱木素减水剂水泥浆体可以看到水化产物 Ca(OH)2结晶度较好，且生成的片层状 Ca(OH)2，结晶取向相互交错，同时伴生在周围的水化凝胶将其紧密包裹，这将有利于提高材料的抗渗性和耐久性。

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陈建国（1984—），男，工程师，硕士，从事水工建筑物新材料研究及检测工作。

广西水利科技项目 201215, 201312, 201419。

［通讯地址］广西南宁民主路 1-5 号 （530023）