利用功能小单体合成抗泥型聚羧酸减水剂的研究

2021-02-23冯启彪孟渊杨发贵苗国元

新型建筑材料 2021年1期

冯启彪，孟渊，杨发贵，苗国元

（1.兰州宏方新型建材科技有限公司，甘肃兰州 730020；2.甘肃省建材科研设计院，甘肃兰州 730000）

0 概述

聚羧酸系高性能减水剂具有高减水、增强及分散性好等优势，成为混凝土配制必不可少的关键材料之一，是当前高性能混凝土领域研究的热点[1]。

日本触媒、德国BASF和美国GRACE等公司一直处于聚羧酸减水剂技术领域的前沿水平，拥有多种功能类型的高性能产品，在国际市场上占据大量的市场份额。近些年，聚羧酸减水剂在国内的发展相当迅速，自2010年之后，聚羧酸减水剂在工程领域普遍使用。但长期以来，聚羧酸减水剂与混凝土原材料之间存在着严重的适应性问题[2-3]，特别是对砂石料泥含量等环境条件敏感性强，适应性差。在实际工程中表现为减水率与保坍性能波动较大。对混凝土生产、运输以及泵送施工带来诸多不确定因素，直接影响到混凝土强度与工程质量问题。

本项目研究利用功能小单体合成一种具有抗泥性能的聚羧酸高性能减水剂，可有效缓解砂石料含泥量带来的负面影响。

1 试验

1.1 原材料及主要仪器设备

（1）合成用材料

聚醚大单体：相对分子质量2400，工业级；功能小单体：不饱和二元羧酸，工业级；丙烯酸：工业级；链转移剂：分析纯；Vc：食药级；双氧水：浓度27%。

（2）测试用材料

水泥：祁连山P·O42.5水泥；石子：建筑用碎石，性能符合GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》要求，公称粒径5～40 mm；砂：性能符合GB/T 14684—2011《建设用砂》规定的中砂指标要求，细度模数3.3，含泥量6%；粉煤灰：性能符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中规定的Ⅲ级指标要求。砂、石和粉煤灰均由甘肃祁连山商品混凝土搅拌站提供。对比基准样：兰州宏方新型建材科技有限公司生产的HF-183缓凝型聚羧酸高性能减水剂，性能符合GB/T 8076—2008《混凝土外加剂》要求，固含40%。

（3）主要仪器设备

DRHH-1数显恒温水浴锅；BF400H蠕动泵；JJ-10精密电动搅拌器；ME204E分析天平；NJ-160B型水泥净浆搅拌机；HJW-60型混凝土搅拌机；HD-G815型红外光谱分析仪等。

1.2 试验方案

固定聚醚大单体用量为165 g不变，对其它材料组分进行L16（45）正交试验，因素水平设计如表1所示。

表1 正交试验因素水平

1.3 合成工艺

滴加料分A料和B料，A料为丙烯酸水溶液，B料为链转移剂和Vc的混合水溶液。底料的配制是在常温条件下向四口烧瓶中加入一定量的纯净水、聚醚大单体和功能小单体，充分搅拌融化。然后加入双氧水，搅拌均匀后于（16±3）℃开始滴加A料和B料，滴加时间为3 h。滴加反应完成后继续搅拌1 h，并加入适量的水和NaOH溶液，搅拌均匀，即制得固含量40%的减水剂母液。

1.4 性能测试方法

混凝土试验按GB/T 8076—2008进行测试。试验混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（石）∶m（砂）∶m（粉煤灰）∶m（水）∶m[减水剂（固含量40%）]=400∶970∶860∶50∶170∶0.2。

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果与分析（见表2）

表2 正交试验结果与分析

由表2可见：

（1）各因素对减水率影响大小排序为：丙烯酸用量=功能小单体用量>双氧水用量>Vc用量>链转移剂用量，说明在该工艺配料条件下，丙烯酸和功能小单体对减水率的影响最显著。且减水率与丙烯酸用量成正比关系，与功能小单体的用量成反比关系。说明在适宜的引发剂和链转移剂配料条件下，酸醚比对减水率的大小起着决定性的作用。

（2）对1 h坍落度损失进行测试结果表明，采用含泥量为6%的砂配制混凝土时，在高含泥量条件下混凝土试样1 h坍落度损失整体较小，最小值为0。说明该配料体系合成的减水剂对泥含量敏感性低，含泥量对其减水效果及1 h坍落度损失的影响较小。

各因素对混凝土1 h坍落度损失影响大小排序为：功能小单体用量>丙烯酸用量>Vc用量>链转移剂用量>双氧水用量。说明功能小单体用量对混凝土坍落度损失的影响起着决定性的作用，随功能小单体用量增加混凝土坍落度损失减小。

（3）各因素对混凝土28 d抗压强度影响的大小顺序为：丙烯酸>功能小单体>双氧水>Vc>链转移剂。在实验室条件下，混凝土试件成型时间短，1 h坍落度损失对混凝土28 d抗压强度的影响较小，28 d抗压强度与减水率的变化趋势相近。

综上，本研究针对高含泥量的砂石料，以减小坍落度损失为主要目标，同时兼顾减水率和28 d抗压强度2项性能指标，最佳配料方案为：A3B4C1D3E3。将该研究方案投入中试生产，合成抗泥型聚羧酸高性能减水剂。

2.2 中试产品抗泥性能测试与分析

试验选取6家商品混凝土站的原材料进行混凝土配制试验，不同商品混凝土站所用水泥、粉煤灰、石和砂来源均不同，砂的含泥量分别为6%、8%、7%、9%、6%和5%，依次对应表3中的1#～6#混凝土试样。以1 h坍落度损失及其离散性来评价减水剂的抗泥效果，测试结果与数据分析如表3所示。

表3 中试减水剂产品的减水率和1 h坍落度损失

从表3可以看出，与缓凝型聚羧酸高性能减水剂HF-183相比，研制的抗泥型聚羧酸高性能减水剂具有减水率高和坍落度损失小的显著优势。通过变异系数分析可知，抗泥型聚羧酸减水剂的减水率和坍落度损失离散性相对较小，变异系数均小于掺HF-183的混凝土。表明该产品对不同含泥量的砂具有较好的适应性，同时也对不同厂家的水泥和粉煤灰同样具有较好的适应性。

2.3 红外光谱分析

采用红外光谱分析仪对中试生产的抗泥型聚羧酸高性能减水剂的特征结构官能团进行分析，结果如图1所示。

图1 合成减水剂的红外光谱

从图1可以看出，3451.62 cm-1处为羟基O—H的伸缩振动，2887.01 cm-1处为C—H的伸缩振动峰，1730.64 cm-1处为羧酸酯C=O的伸缩振动峰，1244.21、1283.76处为酯C—O—C的伸缩振动产生的2个较强峰，进一步证明了羧酸酯的存在。而酯基在混凝土碱性条件下会逐步发生水解，生成具有分散性能的聚羧酸分子，进而发挥空间位阻作用，因此，该减水剂的分散作用可以长时间保持[4]。