有機胺改性聚羧酸系高性能減水劑的試驗研究

裴峻軍

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

有機胺改性聚羧酸系高性能減水劑的試驗研究

裴峻軍

(山西省建筑科學研究院，山西太原 030001)

對四種聚羧酸系高性能減水劑進行了有機胺改性研究，優化出最佳改性工藝，并從分子鏈結構搭配的角度分析了有機胺的改性機理，結果表明:改性后的聚羧酸系高性能減水劑A對水泥的分散性能僅起到抵消緩釋作用，聚羧酸系高性能減水劑B，C，D改性后對水泥的分散性能有很大的提高，尤其是對保坍性能較差的減水劑，改性后的減水劑對混凝土的流變性能與水泥凈漿流動度的變化規律基本一致。

有機胺，聚羧酸系減水劑，改性，分散性

0 引言

聚羧酸系高性能減水劑作為配制高性能混凝土的重要組成材料，憑借其減水率高、保塑性好、收縮率低、高性能化潛力大等突出優點，廣泛應用于高鐵、橋梁、核電、水電等重點工程。然而，聚羧酸系高性能減水劑母液性能較為單一，無法滿足不同工程領域、不同性能要求的混凝土，極大地制約了聚羧酸系高性能減水劑的廣泛應用與發展。國內外專家學者通過化學和物理改性手段對聚羧酸系高性能減水劑進行了較系統的研究，取得了可喜的成績。其中化學改性主要有優化分子結構設計，合理搭配長、短側鏈，接枝功能性官能團等方法，物理改性主要以兩種或兩種以上性能優勢不同的外加劑復配來實現協同效應和復合疊加效應。但是這些研究主要集中在改善聚羧酸系高性能減水劑某一方面的性能，比如緩釋型、徐放型和利用廉價單體合成降低成本型，以及多組分物理復合等方面，這樣給復配單位和施工企業帶來諸多不便，在使用過程中很容易造成質量事故。本研究針對上述問題并結合國內外專家學者的研究成果，采用有機胺對不同廠家生產的聚羧酸系高性能減水劑進行了物理、化學改性，改性后的聚羧酸系高性能減水劑對水泥的適應性有了很大的提高，而且一種母液能適合不同要求的工程使用，實現了聚羧酸系高性能減水劑母液的高性能化、多功能化，既降低了生產成本，又解決了聚羧酸系高性能減水劑存在的問題。

1 試驗用原材料及試驗方法

1.1 試驗用原材料

1)減水劑:采用山西華凱偉業科技有限公司生產的緩釋型聚羧酸系高性能減水劑母液(A)和標準型母液(B)，山西康特爾精細化工有限責任公司生產的標準型聚羧酸系高性能減水劑母液(C)，山西鑫經緯建材有限公司生產的標準型聚羧酸系高性能減水劑母液(D)，以上四種產品均為醚類減水劑。為了便于分析研究，其母液均調整為40%的固含量，摻量為0.4%。

2)有機胺:由山西省建筑科學研究院自主研發，該有機胺產品外觀為無色或淡黃色透明液體。

3)水泥:采用山西吉港水泥廠生產的P.O42.5水泥。

1.2 試驗方法

1)改性試驗:在裝有攪拌器、溫度計的500 m L三口瓶中分別加入固含量為40%的聚羧酸系高性能減水劑母液，待達到規定溫度后加入有機胺進行反應，考察有機胺不同摻量、不同反應溫度、不同反應時間對水泥凈漿流動度及凈漿流動度經時損失的影響。

2)水泥凈漿流動度:按GB/T 8077—2012混凝土外加劑勻質性試驗方法中水泥凈漿流動度的試驗方法，進行水泥凈漿流動度的測定。采用水灰比為0.29，水泥用量為300 g，水用量為87 g。

2 試驗結果及分析

本試驗對三個聚羧酸系高性能減水劑生產廠家的四個產品進行了有機胺改性研究，主要考察了有機胺在不同摻量、不同反應溫度、不同反應時間下對水泥凈漿流動度及凈漿流動度經時損失的影響。

2.1 有機胺的摻量對水泥分散性能的影響

由于聚羧酸系高性能減水劑的合成溫度一般控制在60℃～80℃［4］，為了便于研究有機胺的摻量對聚羧酸系高性能減水劑性能的影響，本試驗采用的反應溫度控制在80℃ ±5℃，反應時間暫定為30 min，有機胺的摻量為40%固含量聚羧酸系高性能減水劑母液，其試驗結果如表1所示。

表1 有機胺的摻量對水泥分散性能的影響

由表1可以看出，隨著有機胺摻量的增加，聚羧酸系高性能減水劑B，C，D對水泥不同時段的分散性能均有不同程度的提高，當有機胺摻量達到飽和時，不同時段的水泥凈漿分散性能略有下降。聚羧酸系高性能減水劑A屬于緩釋型減水劑，在0 min，30 min時與B，C，D表現一致，在60 min時與有機胺摻量無關，這與聚羧酸系高性能減水劑母液的類別有關。當有機胺摻量達到0.8%時，聚羧酸系高性能減水劑B，C，D與不摻有機胺相比較，0 min水泥凈漿流動度最大提高65 mm，30 min水泥凈漿流動度最大提高75 mm，60 min水泥凈漿流動度最大提高100 mm，從以上試驗數據可以看出有機胺改性后的聚羧酸系高性能減水劑B，C，D對水泥的分散性能有很大的改善作用，對聚羧酸系高性能減水劑A僅起到抵消緩釋作用。

2.2 不同反應溫度對水泥分散性能的影響

加入不同摻量的有機胺經復合反應后，對聚羧酸系高性能減水劑分散性能有了不同程度的提高，在此基礎上進一步研究反應溫度對其分散性能的影響。為了簡化合成工藝，降低能耗，一些專家學者進行了無熱源或常溫合成聚羧酸系高性能減水劑的研究，取得了較好的效果。本試驗針對不同合成工藝和實際應用情況，確定改性反應溫度控制在20℃～90℃內進行研究，有機胺摻量為0.8%，反應時間暫定為30 min，其試驗結果如表2所示。

表2 反應溫度對水泥分散性能的影響

由表2可以看出，前期隨著反應溫度的升高，四種聚羧酸系高性能減水劑對水泥不同時段的分散性能均有不同程度的提高，尤其是在40℃～60℃之間，當溫度達到60℃以上時，對水泥不同時段的分散性能影響不大。從試驗數據分析來看，反應溫度應控制在40℃～60℃較為經濟合理，如果條件不具備，直接常溫反應也較改性前具有一定的優勢。

2.3 不同反應時間對水泥分散性能的影響

通過研究有機胺的摻量和反應溫度對聚羧酸系高性能減水劑分散性能的影響，發現反應溫度對改性效果影響較小，最佳反應溫度在40℃ ～60℃，因此對反應時間的研究溫度控制在60℃±5℃。反應時間控制在10 min～90 min之間。反應時間對聚羧酸系高性能減水劑分散性能的影響結果如表3所示。

表3 反應時間對水泥分散性能的影響

由表3可以看出，隨著反應時間的延長，四種聚羧酸系高性能減水劑對兩種水泥不同時段的分散性能均有不同程度的提高，尤其是在30 min～50 min之間，當反應時間延長到50 min～90 min之間時，對水泥不同時段的分散性能幾乎無影響。從試驗數據分析來看，該反應時間應控制在30 min～50 min。反應時間為50min時，與反應時間為10min相比較，0min水泥凈漿流動度最大提高35 mm，30 min水泥凈漿流動度最大提高40 mm，60 min水泥凈漿流動度最大提高45 mm。

2.4 機理分析研究

通過研究有機胺的摻量、反應溫度和反應時間對聚羧酸系高性能減水劑性能的影響，優化了改性工藝參數，提高了聚羧酸系高性能減水劑的性能。首先分析聚羧酸系高性能減水劑對水泥顆粒的分散機理，雷道斌認為聚羧酸系高效減水劑的分散減水作用機理以空間位阻斥力作用為主，其次是水化膜潤滑作用和靜電斥力作用，同時還具有一定的引氣隔離“滾珠”減水效應和降低“固—液”界面能效應。彭雄義等通過比較合成的三種側鏈長度不同的聚羧酸系減水劑對水泥顆粒分散性能，發現長短支鏈交替組成的減水劑具有較好的分散性。日本學者Hamadad等人認為，相同摻量下，長側鏈減水劑具有高分散性，但流動經時損失大，混凝土凝結時間也短。由于聚羧酸系高效減水劑呈梳狀吸附在水泥顆粒表面，側鏈延伸到液相中，從而使水泥顆粒之間具有顯著的空間位阻斥力作用。有機胺對聚羧酸系高性能減水劑的改性機理，從理論上分析認為是有機胺與聚羧酸系高性能減水劑部分發生聚合反應，延伸了原有支鏈的長度，增加了短支鏈的數量，使各支鏈長短交替，或有機胺小分子游離在各支鏈或支鏈與主鏈之間，改善了空間位阻斥力，提高了聚羧酸系高性能減水劑的分散性能和保坍性能，從而改善了聚羧酸系高性能減水劑的性能，其分子結構變化還有待進一步研究。

3 結論與展望

1)通過對三個聚羧酸系高性能減水劑生產廠家的四個產品進行了改性研究，優化出的改性工藝為:有機胺的最佳摻量0.8%，反應溫度應控制在40℃～60℃之間，反應時間應控制在20 min～50 min之間。

2)聚羧酸系高性能減水劑A屬于緩釋型減水劑，改性起到抵消緩釋作用，聚羧酸系高性能減水劑B，C，D改性后對水泥凈漿的分散性能都有很大的提高。

3)有機胺對聚羧酸系高性能減水劑的改性研究尚屬首次，其分子結構變化有待驗證。

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Experimental research on high-performance organic am ine polycarboxylic acid water-reducing agent

Pei Junjun

(Shanxi Academy of Building Science，Taiyuan 030001，China)

The paper studies four kinds of organic aminemodification of organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent，and optimizes optimalmodified technologies.Results show that:modified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent A can release the cement depressiveness，themodified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent B，C and D can greatly improve the cement depressiveness especially for poorwater-reducing agent，themodified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent has basically coordination for concrete rheological behavior and cement cleaning flowing law aswell.

organic amine，polycarboxylic acid water-reducing agent，modification，depressiveness

TU528.042

A

1009-6825(2015)29-0126-02

2015-08-07

裴峻軍(1976-)，男，助理工程師