探索天然高分子基混凝土減水劑合成與應用策略

唐 云

（綿陽職業(yè)技術學院材料系,四川 綿陽621000）

0 前 言

作為現(xiàn)代文明的四大支柱之一，材料技術對于其他產業(yè)的技術有著非常深刻的影響，為了實現(xiàn)混凝土材料的綠色化和可持續(xù)發(fā)展應當探索天然高分子基混凝土減水劑合成與應用策略。

1 原材料與實驗方法

1.1 所采用的原材料與試劑

（1）銅氨溶液測得的聚合度約1100的棉纖維素；（2）含水率4.3%的淀粉糊精；(3)DS=2.1、MS=3.3的羥乙基纖維素；（4）氯磺酸和二氯乙烷；（5）四平精細化工廠提供的1，4-丁基磺酸內酯(分析純，)；（6）市場上購得的氫氧化鈉；（7）市場上購得的純度36.5%的鹽酸；（8）市場上購得的異丙醇和無水乙醇(分析純，市售)；（9）無水甲醇(分析純，市售)；（10）實驗室配制的1M銅氨溶液：ISO標準砂(市售)；（11）細度模數為2.63的河砂；（12）級配良好、粒徑為5mm～25ram的碎石子固含量為40%的棕色水溶液的SNF減水劑；（13）普通硅酸鹽水泥；

1.2 采用的主要實驗儀器

（1）浙江金壇市科興儀器廠出品的恒溫水浴鍋；（2）電動強力攪拌機；（3）微波爐；（4）行星式水泥膠砂攪拌機；（5）跳桌和恒溫養(yǎng)護箱；（6）微機控制全自動壓力試驗機；（7）水泥電動抗折試驗機；（8）混凝土抗壓強度實驗機液壓機；（9）GSL-10181激光顆粒分布測量儀；（10）水泥標準稠度維卡儀。

采用相關的試驗裝置對SBC、磺化羥乙基纖維素、淀粉順丁烯二酸半酯進行合成，然后采用紅外光譜儀和相應的測試方法對400-4000cm-1的范圍進行紅外光譜的測試；采用核磁共振波譜儀得到核磁共振譜（NMR）；選擇有代表性的水溶性產物的GPC方法對分子量進行測量。在合成的過程中采用烏氏粘度計法測定特性粘數以控制反應條件對產物應用性能的影響，主要采用烏氏粘度計法和凝膠滲透色譜法。

在應用性能的測試過程中主要進行以下方面的測試。

（1）減水劑吸附量測定；（2）光電子能譜分析；（3）水泥顆粒表面；（4）X射線衍射分析；（5）掃描電鏡(SEM)分析；（6）差示掃描量熱分析(DSC)； （7）水化熱測定；（8）水泥粒度分布測定；（9）水泥凈漿試樣制備及性能測試；（10）砂漿、混凝土性能測試。

2 天然高分子基減水劑的合成

在過程工程學發(fā)展的過程中衍生出了材料過程工程學，過程工程學中很多的理論在材料過程工程學中都能夠應用。混凝土減水劑的制備過程是材料過程工程學研究的駐點要素，不能脫離相應的化學反應，下面對丁基磺酸纖維素、磺化羥乙基纖維素和淀粉順丁烯半酯的合成條件及影響因素進行了研究，一般是在多相介質中才會發(fā)生纖維素衍生化反應。

在以纖維素為原材料制備混凝土減水劑的過程中主要分為兩個部分：首先是利用稀酸水解手段制備較低分子量的LODP纖維素，然后是利用纖維素醚化反應改性制備水溶性纖維素衍生物。

2.1 平衡聚合度纖維素制備

目前，已經具備比較成熟的技術利用纖維素制備平衡聚合度纖維素(LODP Cellulose)。很多學者研究了無機酸種類、濃度等對纖維素聚合度的影響，因此本文中的試驗采用了6%濃度的稀鹽酸水溶液水解纖維素來制備LODP纖維素。

在制備平衡聚合度纖維素的過程中參考相關的資料，具體的操作過程如下：首先在三口燒瓶中加入事先稱取的棉纖維素，同時在在氮氣的保護下將濃度為6%的稀鹽酸和1%助劑加入在內，經過強烈的攪拌和30分鐘的100攝氏度下的化學反應以后再采用0.5mol／L的NaOH將水溶液中和，然后經過多次去離子水沖洗，直至沖洗液呈中性為止，最后在50攝氏度下進行真空干燥處理，測試得到的纖維素的備聚合度，儲存以備改性研究。

2.2 丁基磺酸纖維素減水劑合成

在合成水溶性丁基磺酸纖維素醚(Sulfobutylated Cellulose Ether，SBC)的過程中主要分為兩個階段：首先是進行纖維素的堿化(活化)，然后進行堿纖維素的醚化反應。本文為了確定最優(yōu)反應條件，主要研究了由LODP纖維素制備的低分子量纖維素衍生物的合成工藝與產物性能。堿液濃度、堿化溫度和堿化時間三個主要的因素影響了纖維素堿化。本文的試驗中的堿化介質采用30%的氫氧化鈉水溶液與異丙醇的混合液，將室溫作為堿化溫度。

2.3 磺化羥乙基纖維素的制備和淀粉基減水劑合成

接下來根據國內外的研究方法制備磺化羥乙基纖維素以及合成淀粉基減水劑，具體的制備和合成過程限于篇幅本文不再贅述。

3 合成減水劑在混凝土中的應用

3.1 混凝土減水率測定

為了測得不同取代度的SBC在1%摻量下混凝土的坍落度值，本試驗采用坍落度筒法進行測量，從測量的結果可以看出摻加SBC6的混凝土具有很好的粘聚性，沒有出現(xiàn)離析現(xiàn)象，具備較少的泌水量和較好的保水性；在泌水量的對比上，摻加SBC7、SBC8的混凝土泌水量略多于SBC6，粘聚性能大體相同，三者和易性的均比摻加SNF的混凝土優(yōu)良。

3.2 SBC配制C40混凝土

通過配制C40混凝土來驗證SBC實際應用效果，采用467kg／m3單位混凝土水泥用量，根據數據分析結果可以看出：摻加SBC8的混凝土88%的泌水率明顯低于空白混凝土以及摻加SNF的混凝土泌水率；120min的坍落度損失了大約40%，SBC對于保持混凝土坍落度有很好的效果；初凝和終凝時間都得到了延長。對于摻加減水劑所配制的高流動度混凝土， SBC的坍落度損失更加小，摻加SNF的混凝土初始坍落度與摻加SBC基本一樣，但120min后的坍落度損失了將近70%。但是與減水劑PC相比，SBC初始坍落度和120min后的坍落度均低于前者的值。

4 總結

作為天然高分子材料的主要代表，纖維素和淀粉具有廣闊的應用前景，二者衍生物在建材領域中得到了非常廣泛的應用。后續(xù)還應當對天然高分子基混凝土減水劑的應用進行更加深入的研究。