IA-AMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂的制备及其性能测试

熊锃，张平，王琴，祁发忠

（1.新疆西部卓越建材有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 中建西部建设新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

IA-AMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂的制备及其性能测试

熊锃1，张平1，王琴2，祁发忠1

（1.新疆西部卓越建材有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2. 中建西部建设新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

本文介绍在传统聚羧酸合成工艺中引入衣康酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，制备出 IA-AMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂，通过正交试验及单因素试验探讨了不同单体用量、引发剂用量、反应温度对聚合物性能的影响，发现当n(IA):n(AMPS):n(AA)=0.1:0.07:1、引发剂用量为单体总质量的 0.68%、反应温度为 60℃ 时，制备出的聚羧酸性能最佳，其水泥净浆流动度达到 285mm，混凝土初始坍落度/扩展度达到 220mm/585mm，28d 抗压强度达到 137%。

衣康酸；丙烯酸；丙烯酰胺；聚羧酸

0 前言

混凝土外加剂是高性能混凝土配制过程中不可或缺的一部分，其发展历程可追溯至 20 世纪 30 年代，而聚羧酸系混凝土外加剂的发展起源于 1982 年，并在日本实现大规模工业化生产，成功地开启了聚羧酸系混凝土外加剂的应用时代，它以减水率高、掺量低、混凝土收缩小、环境友好等特点得到迅速推广[1-4]。目前市面上聚羧酸减水剂大致分为两类：一种是释放较快，具有较高减水率的高减水型聚羧酸；另一种是初期基本没有减水率，但具有部分缓释效果的高保坍型聚羧酸。这两种外加剂皆以丙烯酸（AA）或甲基丙烯酸等丙烯酸类单体作为分子主链，与醚类、酯类大单体聚合而成[5-9]。

衣康酸（IA）又名亚甲基丁二酸，其分子内存在两个羧基活性基团，能够提高聚羧酸分子在无机颗粒物上的吸附，从而提高其在水泥浆体中的分散性能[10]。酰胺基团在碱性条件下更易水解，能够促进硅酸三钙的水化，提高混凝土的强度，而磺酸基团的引入能有效增加聚羧酸在水泥中的分散性、提高减水率[11]。为此，本研究将衣康酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、丙烯酸作为共聚小单体，异戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG）作为大单体，采用自由基聚合的方式，合成出一种减水率较高、并能在水泥浆体中起到很好的分散效果的三元共聚型聚羧酸分子。采用正交法探讨各水平因素对合成条件以及物料配比的影响，同时通过单因素试验确定 IAAMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂的最佳工艺配方。

1 试验

1.1 主要试剂及原料

1.1.1 化学试剂

异戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG，分子量 2400），工业级，采购自辽宁奥克化学股份有限公司。

衣康酸，试剂级，济南沃尔德化工有限公司。

丙烯酸，工业级，兰州石油化工公司。

2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，化学纯，成都科龙化工试剂厂。

引发剂，进口，德国优耐德公司；链转移剂，进口，日本大赛璐公司。

氢氧化钠，工业级，新疆中泰化学股份有限公司。

1.1.2 原料

为结合生产实际，本试验采用混凝土原材料，包括胶凝材料、砂、石均采自乌鲁木齐搅拌站点。

水泥（C）：天宇华鑫，试验所用水泥的各项技术指标见表 1 ，符合 GB 175－1999《硅酸盐、普通硅酸盐水泥》规定。

表1 试验用水泥各项性能指标

粉煤灰（F）：新疆姹紫嫣红 Ⅲ 级灰；

矿粉（K）：新疆宝新盛源 S75 矿粉；

砂（S）：乌鲁木齐市地产，各项技术指标见表 2，符合JGJ 52－2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定。

表2 试验用砂各项性能指标

卵石（G）：乌鲁木齐市地产，颗粒级配 5～20mm，针片颗粒含量 6%，压碎指标 9%；颗粒级配 20～40mm，针片颗粒含量 5%，压碎指标 6%。

1.1.3 合成工艺

向四颈瓶中加入异戊烯醇聚氧乙烯醚及去离子水，搅拌升温，待温度达到指定温度时通入氮气，并加入 AMPS，待单体充分溶解，缓慢滴加已配制好的溶液 A（引发剂、去离子水）与溶液 B（AA、IA、链转移剂、去离子水），控制滴加速度，保持温度恒定的条件下匀速滴加 3.5h，滴加完毕继续反应 1h。反应完毕，待溶液温度降至室温时，用液碱调节体系 pH 值至中性，即得到成品。

1.2 性能测试

1.2.1 水泥净浆流动度试验

水泥净浆流动度试验过程按照国家标准 GB/T 8077－2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》 进行。水泥 300g，水胶比 0.29，外加剂折固掺量 0.2%，测定水泥浆体流动度。

1.2.2 混凝土性能测试

混凝土性能测试选用配合比：水泥 210kg，粉煤灰110kg，矿粉 80kg，水 160kg，砂 699kg，石 1141kg，试验过程参照国家标准 GB/T 50080－2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》来进行，并测试新拌混凝土的坍落度、扩展度，并制作混凝土立方体抗压强度试块，采用 (20±2)℃、相对湿度大于等于 95% 条件下养护，测试混凝土试块强度。

2 结果与讨论

2.1 正交设计

以水泥净浆流动度作为考察依据，采用 L9(34) 安排正交试验，综合考察了A[n(AA):n(AMPS)]、B[n(AA):n(IA)]、C[引发剂用量(%)]、D[反应温度(℃)] 对聚羧酸减水剂合成工艺的影响，其中引发剂用量为单体质量百分比，正交试验影响因素及试验数据见表 3、表 4。

表3 正交试验因素设计

表4 正交试验结果与分析

由表 4 可知，以净浆流动度作为考察指标，各因素对聚合物性能的影响顺序为 B>A>C>D，最佳水平组合为A1B2C2D2，即 n(IA):n(AMPS):n(AA)=0.1:0.1:1，引发剂用量为单体质量的 0.65%，反应温度 60℃，制备出聚羧酸减水剂水泥净浆流动度达到 280mm。

2.2 单因素试验

在初步确定反应优选工艺的前提下，进行单因素试验，根据各因素对聚羧酸性能的影响顺序，以水泥净浆流动度与混凝土工作性作为评判依据，进一步探讨各反应条件对聚合物性能的影响。

2.2.1 单体摩尔比对聚合物性能的影响

固定反应温度为 60℃，引发剂用量为单体质量的0.65%，调整单体摩尔比，试验结果如表 5 所示。

从表 5 可以看出，AMPS 用量的变化对聚羧酸分子的分散性能影响并不显著，但 APMS 的引入能够适当提高聚羧酸分子对混凝土强度的贡献，这与许多关于酰胺型聚羧酸减水剂的文献结论一致。衣康酸的引入，很好地提高了制备的聚羧酸分子在水泥浆体中的分散性，当 n(IA): n(AA)=0.1:1时，这种效果十分显著并趋于饱和。经综合考虑合成聚羧酸的经济性与工艺指标，最终确定产品的单体配比为n(IA):n(AMPS):n(AA)= 0.1:0.07:1，产品水泥净浆流动度可达到 275mm，混凝土坍落度/扩展度为 220mm/570mm，28d 抗压强度达到 127%。

表5 单体配比对聚合物水泥净浆流动度、混凝土工作性的影响

2.2.2 引发剂用量对聚羧酸分子性能的影响

固定单体摩尔比为 n(IA):n(AMPS):n(AA)= 0.1:0.07:1、反应温度 60℃ 不变，调整引发剂用量，得到产品性能如图 1、图 2 所示。

图1 引发剂用量对水泥净浆流动度的影响

图2 引发剂用量对混凝土坍落度/扩展度(T/L值)的影响

从图 1、图 2 可以看出，提高引发剂用量能有效提高聚羧酸减水剂在水泥浆体中的工作性能，当引发剂用量达到 0.68% 时，产品性能达到最优，水泥净浆流动度可达到285mm，混凝土坍落度/扩展度为 220mm/585mm。

2.2.3 反应温度对聚合物性能的影响

根据上述试验数据，固定引发剂用量为 0.68%，单体摩尔比为 n(IA):n(AMPS):n(AA)= 0.1:0.07:1，改变反应温度，探讨温度变化对聚合物性能的影响。试验结果如图 3、图 4 所示。

从图 3、图 4 可以看出，聚羧酸分子的聚合温度存在一个临界值，当聚合温度达到 60℃ 时，得到的聚羧酸分子效果已经达到最佳，继续升高反应温度对产物的性能没有较大影响，反而会增加能耗。因此 IA-AMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂的最优工艺配方为：单体用量 n(IA):n(AMPS):n(AA)= 0.1:0.07:1、引发剂为单体质量的 0.68%，反应温度为60℃时，产品性能达到最优，水泥浆体分散性可到到 285mm，混凝土 T/L 值为 220mm/585mm，混凝土试块 28d 抗压强度可达到 137%。

图3 聚合温度对水泥浆体分散性的影响

图4 聚合温度对混凝土坍落度/扩展度(T/L值)的影响

3 结论

（1）通过自由基聚合反应，成功合成出一种性能优异的IA-AMPS-AA 三元共聚型聚羧酸减水剂。

（2）通过探讨各因素对聚羧酸成品性能的影响，成功确定了减水剂的最优工艺配方，当单体用量n(IA):n(AMPS):n(AA)= 0.1:0.07:1、引发剂用量占单体总质量的 0.68%，聚合温度控制在 60℃ 时，产品性能达到最优，水泥浆体分散性可达到 285mm，混凝土 T/L 值为220mm/585mm，混凝土试块 28d 抗压强度可达到 137%。

（3）各因素对聚羧酸成品性能影响的顺序为：单体配比>引发剂用量>反应温度，其中 AMPS 对聚羧酸减水剂分散性影响不大，但可以适当提高聚羧酸对混凝土强度的贡献。

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［通讯地址］新疆乌鲁木齐新疆西部卓越建材有限公司（830000）

Synthesis and high performance of IA-AMPS-AA polycarboxylated superplasticizers

Xiong Zeng1, Zhang Ping1, Wang Qin2, Qi Fazhong1
(1. Xinjiang West Excellent Building Materials Co., Ltd., Urumqi 830000; 2. China West Construction Group Xinjiang Co., Ltd.,Urumqi 830000）

A new type poly carboxylic water reducer has been synthesized with acrylic acid, itaconic acid and 2-acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid. The effect of polycarboxylated superplasticizer on cement and concrete are studied, whose result indicated that the IA-AMPS-AA polycarboxylated superplasticizers has better compatibility when n(IA):n(AMPS):n(AA)=0.1:0.07:1, nitiator dosage was 0.68% and the reaction temperature was 60℃. The fluidity of net cement slurry reaches 285mm, the concrete initial concrete slump/ extended degree was 220mm/585mm and 28 days compressive strength of concrete reaches 137%.

IA; AA; AMPS; polycarboxylate

熊锃（1987－），男，汉，湖北省武汉市，工程师，硕士研究生，主要从事聚羧酸减水剂的研发及其技术应用。