聚羧酸減水劑的試驗研究

2014-03-11 08:28:58廖國勝

建材世界 2014年3期

廖國勝，艾濤，肖煜，潘會

（武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

我國的混凝土工業日新月異，在混凝土技術快速發展的過程中，遇到了許多工程難題。其中的一個問題就是，摻高效減水劑混凝土坍落度損失很快，直接影響了高效減水劑的應用和發展。與傳統的減水劑一樣，聚羧酸系減水劑使用性能同樣受到水泥特性的影響［1］。目前，行業內主要通過減水劑后摻法、與緩凝劑復合使用、降低混凝土出機溫度等途徑來解決混凝土的坍損問題。但任何一種解決辦法都存在一些操作或技術上的困難，引起混凝土性能和質量的不穩定［2－4］，該研究從聚羧酸減水劑本身出發，探索一種保坍型聚羧酸混凝土減水劑，來解決施工過程中混凝土坍落度損失這一行業內普遍性難題。

1 試驗

1.1 材料

1.1.1 聚羧酸減水劑合成原料

聚羧酸減水劑合成原料見表1。

1.1.2 水泥

試驗所用水泥為湖北軍山水泥有限公司生產的昌閣P·O42.5水泥。

1.1.3 拌合水

試驗所用凈漿拌合水為潔凈自來水。

表1 聚羧酸減水劑合成原料

1.2 試驗設備

1000mL三口燒瓶、溫度計、攪拌機、滴液管。

1.3 聚羧酸減水劑的合成

在三口燒瓶中加入TPEG，水浴加熱至一定溫度至TPEG完全溶解，再加入一定量的引發劑，充分攪拌15min，直至引發劑和TPEG攪拌均勻，恒溫一段時間后，同時分別滴加AA，衣康酸溶液以及VC和巰基乙酸混合溶液，控制好滴加時間和溫度，待所有料滴加完成后保溫1h，然后冷卻至室溫，使用30%濃度的氫氧化鈉溶液調節pH值至6.0～7.0，即得聚羧酸減水劑。

1.4 水泥凈漿流動度的測定

參照GB／T 8007—2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，對聚羧酸減水劑性能測定。W／C＝0.29，外加劑摻量為0.4%，其中，聚羧酸減水劑取代20%減水劑母液，每測定一次流動度后將水泥漿裝入燒杯蓋上濕布，到達指定時間后再次攪拌均勻，然后測定其流動度。

2 試驗結果與討論

共聚產物的性能隨著小料的比例不同而發生變化。通過前期的試驗摸索，n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%的基礎上，分別單一改變各個小料的用量和反應條件，研究各小料和反應條件對聚羧酸減水劑性能的影響。

2.1 反應溫度對聚羧酸減水劑性能的影響

保持n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，反應時間一定，只單一改變反應溫度，研究反應溫度對聚羧酸減水劑性能的影響，試驗結果見圖1。

由圖1可以發現，當反應體系的溫度控制在43～45℃時，合成的聚羧酸高效減水劑可以使水泥具有較好的分散性，特別是在反應體系的溫度控制為44℃時，合成的聚羧酸高效減水劑不僅可以使水泥具有較好的分散性，而且可以使水泥具有較好的分散保持性，降低了水泥凈漿流動度的經時損失。因為，引發劑在此溫度條件下會發生分解，產生自由基，反應體系的溫度和酸度對引發劑的分解速率具有較大的影響。

2.2 反應時間對聚羧酸減水劑性能的影響（微觀）

保持n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，反應溫度一定，僅僅只改變反應時間，試驗結果見圖2。

從圖2可知，當反應時間控制在4h時，生成的聚羧酸高效減水劑可使水泥具有較好的分散性以及分散保持性。當聚合反應時間小于4h時，反應時間相對較短，單體反應轉化的速率較低，反應體系中大量的反應單體沒有發生反應，導致合成聚羧酸高效減水劑的有效成分較低，所以，其對水泥的分散保持性能較差；當聚合反應時間大于4h時，單體反應轉化的速率較高，但是，當反應的時間延長時，就會有越來越多的側鏈脫落，聚羧酸高效減水劑對水泥的分散性與分散保持性逐漸降低［5，6］。當聚合反應時間為4h時，反應體系的所有單體幾乎完全發生反應，此時，合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的分散性與分散保持性能最好，具有較好的綜合性能。但是，隨著聚合反應時間的增加，其對水泥的分散性和分散保持性均有所下降，所以，合成聚羧酸高效減水劑的聚合反應的最佳反應時間應該控制為4h。

2.3 酸醚比對聚羧酸減水劑性能的影響

酸醚比即n（AA）∶n（TPEG），對聚羧酸高效減水劑的分子量和分子側鏈的疏密有著決定性的影響。當酸醚比過低時，體系中大量的TPEG沒有反應；當酸醚比過高時，聚羧酸高效減水劑的主鏈長，分子量大，側鏈密度降低。酸醚比是聚羧酸高效減水劑的性能的一個非常重要的參數。n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，試驗的聚合反應時間為4h，反應溫度為44℃，改變酸醚比1.3∶1～3∶1，合成了9組聚羧酸高效減水劑，其水泥凈漿流動度結果見圖3。

從圖3可以看出：當n（AA）∶n（TPEG）＝1.9時，合成的聚羧酸高效減水劑可使水泥具有較好的初始分散性和分散保持性；因為TPEG的聚合活性比較差，當AA的用量低于某一值時，反應體系中有較多的TPEG沒有發生聚合反應，使得合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的初始分散性和分散保持性比較差；隨著AA摩爾用量的增加，合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的初始分散性較好，但是，其分散保持性減弱；當AA的摩爾用量超過一定的值時，使得合成的聚羧酸高效減水劑分子的分子量大，且側鏈密度降低，從而影響聚羧酸高效減水劑對水泥的空間位阻作用，同時，吸附加快，導致聚羧酸高效減水劑分散性下降。

2.4 衣康酸用量對減水劑性能的影響

衣康酸分子結構中含有不飽和的雙鍵。不飽和雙鍵使得衣康酸具有較好的共聚反應活性，可以與其它單體發生共聚反應；在單位衣康酸分子中所含的不飽和雙鍵比丙烯酸中更多，使得合成的聚合物具有更高的減水率。同時衣康酸也起著調節反應溫度的作用。在n（AA）∶n（衣康酸）∶n（巰基乙酸）∶n（TPEG）＝1.7∶0.23∶0.005∶1，m（引發劑）∶m（TPEG）＝0.20%，試驗反應時間和反應溫度一定的條件下，改變衣康酸的用量，其水泥凈漿流動度結果見圖4。

從圖4可以看出，改變衣康酸的用量，使得合成的聚羧酸高效減水劑的反應溫度下降，同時對水泥的初始分散性能沒有較大的影響；但是，改變衣康酸的用量，使得合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的分散保持性能的影響比較明顯。當n（衣康酸）∶n（AA）＝12%時，低溫合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的初始分散性能和分散保持性能較好；當n（衣康酸）∶n（AA）＞12%或n（衣康酸）∶n（AA）＜12%時，合成的聚羧酸高效減水劑對水泥的初始分散性能較好，但是對水泥的分散保持性能較差，水泥的坍落度損失比較明顯。所以，衣康酸的最佳摩爾用量應為AA摩爾用量的12%。