混凝土專用聚羧酸保坍劑的制備及其性能研究

賀海量，嚴(yán)杰，閔亞紅，楊葛，袁劍濤，吳振軍

（1.湖南大學(xué)　化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙　410082；2.湖南銘煌科技發(fā)展有限公司，湖南　長沙　410082）

混凝土專用聚羧酸保坍劑的制備及其性能研究

賀海量1,2，嚴(yán)杰2，閔亞紅1,2，楊葛2，袁劍濤2，吳振軍1

（1.湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙410082；2.湖南銘煌科技發(fā)展有限公司，湖南長沙410082）

針對含泥量和含石粉量很高以及某些機(jī)制砂品質(zhì)很差導(dǎo)致的混凝土坍落度損失快的問題，本文提出了一種混凝土專用聚羧酸保坍劑。試驗表明：該保坍劑 PC-103具有很強(qiáng)的坍落度保持能力，并且在2h左右分散效果達(dá)到最大約280mm；并且與普通聚羧酸減水劑復(fù)配后效果明顯優(yōu)于單摻，其混凝土性能較好，對吸附能力高的機(jī)制砂具有良好的適應(yīng)性及保坍能力。

聚羧酸；保坍劑；適應(yīng)性；復(fù)配

0　引言

聚羧酸減水劑作為繼木質(zhì)素、萘系減水劑之后的第三代減水劑，具有摻量低、減水率高、新拌混凝土流動性及保坍性好、低收縮、混凝土耐久性能優(yōu)異以及分子設(shè)計性強(qiáng)等特點，同時在生產(chǎn)過程中不使用甲醛、無廢液廢氣排出等具有綠色環(huán)保性能。聚羧酸減水劑的發(fā)明在很大程度上提高了混凝土性能，促進(jìn)混凝土技術(shù)不斷發(fā)展。因此，聚羧酸減水劑已廣泛應(yīng)用于市政、鐵路、公路、港口、橋梁、水電等領(lǐng)域[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和建筑水平的提高，對混凝土質(zhì)量的要求越來越高。但是，由于國內(nèi)水泥品種眾多且水泥品質(zhì)波動很大、混凝土砂石品質(zhì)較差等，例如，砂石中含泥量和含石粉量很高以及某些機(jī)制砂品質(zhì)很差等，經(jīng)常發(fā)生混凝土坍落度損失快的現(xiàn)象，增加混凝土施工和質(zhì)量控制的難度[4]。施工中通常在聚羧酸減水劑中復(fù)配葡萄糖酸鈉、蔗糖等緩凝組分來控制混凝土坍落度損失快的問題，但過多的摻量會使混凝土的凝結(jié)時間延長，減緩施工進(jìn)度。因此，迫切需要一種具有能夠改善聚羧酸減水劑保坍能力的外加劑或者具備適應(yīng)性好、保坍能力強(qiáng)的聚羧酸保坍劑就成了聚羧酸減水劑研究中的熱點。

本文在原有聚醚型聚羧酸減水劑的基礎(chǔ)上，通過分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計，研制了一種混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103，并探討了該混凝土專用聚羧酸保坍劑對不同水泥的適應(yīng)性及在混凝土中的應(yīng)用性能。

1　試驗

1.1試驗原料與儀器

甲基烯丙基聚氧乙烯醚大單體（上海東大化學(xué)，TPEG，分子量2400～3000）；丙烯酸（AA），分析純；引發(fā)劑，分析純；鏈轉(zhuǎn)移劑，分析純；還原劑，分析純；丙烯酸羥乙酯（HEA），分析純；堿液；去離子水。

水泥，P·O42.5R 級水泥；粉煤灰，株洲電廠；礦粉，湘潭華新礦粉 S95細(xì)集料，坪塘機(jī)制砂；粗集料，望城碎石；普通聚羧酸減水劑，采用自制減水劑（PC-101），減水率達(dá)25% 以上。

JJ-1電動攪拌器；HL-2B 恒流泵；DK-98-Ⅱ 水浴鍋，電子天平；四口燒瓶；NJ-160水泥凈漿攪拌機(jī)；試驗室混凝土攪拌機(jī)；壓力試驗機(jī)。

1.2合成工藝

在帶有攪拌器和溫度計的四口燒瓶中加入一定量的去離子水和聚醚，攪拌至 TPEG 全部溶解，再加入過硫酸銨攪拌，然后依次滴加 AA 與 HEA 的混合溶液，滴加還原劑和鏈轉(zhuǎn)移劑的混合溶液，兩種溶液勻速滴加3～3.5h 滴完，然后繼續(xù)攪拌1h。反應(yīng)結(jié)束后，加入液堿，調(diào)節(jié) pH 值至6～8，即得混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103。

1.3水泥凈漿流動度測試

水泥凈漿流動度參照 GB/T8077－2012《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗方法》中的水泥凈漿流動度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，水灰比為0.29，減水劑摻量為0.4%（固含量40% 的聚羧酸減水劑）。

1.4混凝土測試

混凝土性能測定按照 GB/T8076－2008《混凝土外加劑》、GB50119－2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能測試方法標(biāo)準(zhǔn)》及 JC473－2001《混凝土泵送劑》進(jìn)行試驗。

2　檢測結(jié)果與討論

2.1水泥凈漿流動度測試

選取市場上3個不同廠家生產(chǎn)的3種聚羧酸保坍劑產(chǎn)品，分別編號 A、B 和 C，與我們研制的混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103進(jìn)行對比試驗，保坍劑的固含量均為40%。水泥為海螺 P·O42.5R。試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1　凈漿流動度測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明，我們研發(fā)的混凝土專用聚羧酸保坍劑PC-103，雖然初始凈漿流動度小一些，但之后開始逐漸增長，2h 能達(dá)到285mm，緩釋分散效果在2h左右達(dá)到最大。混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103初始凈漿流動度不大，是因為初期保坍劑分子只有少量吸附在水泥顆粒上，但隨著不飽和酯的不斷緩慢水解釋放羧基，凈漿流動度不斷增大，進(jìn)而表現(xiàn)出較好的緩釋分散效果。

2.2水泥適應(yīng)性測試

一般認(rèn)為，通過水泥凈漿流動度試驗來考察外加劑與水泥的適應(yīng)性。因此，本文主要對三種不同水泥廠家的水泥進(jìn)行水泥凈漿流動度測試，通過水泥凈漿流動度的經(jīng)時損失來判斷混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103對水泥的適應(yīng)性。水泥分別選自長沙市場上常用的海螺、中材和華新三種水泥。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖　2　水泥適應(yīng)性測試結(jié)果

由圖2可知，用我們自己研發(fā)的混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103初始凈漿流動度均較小，在110mm 左右，隨著時間的延長，凈漿流動度不斷增大，在2h 達(dá)到最大280mm 左右。其中用華新水泥稍微差一點，在誤差范圍內(nèi)。整體來說，混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103對這3種水泥具有較好的適應(yīng)性。

2.3混凝土測試結(jié)果

為了更全面的評定混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103的性能，對該保坍劑進(jìn)行混凝土性能研究，主要包括：混凝土的坍落度、擴(kuò)展度和抗壓強(qiáng)度測試試驗，并與市場上3個不同廠家生產(chǎn)的聚羧酸保坍劑產(chǎn)品的混凝土性能進(jìn)行對比，最后評定聚羧酸保坍劑的性能。試驗中用 C30混凝土，混凝土的配合比如表1。

表1　C30混凝土配合比　kg/m3

2.3.1單摻保坍劑混凝土工作性能

選用不同水泥對3個不同廠家生產(chǎn)的聚羧酸保坍劑產(chǎn)品和混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103進(jìn)行混凝土性能對比。水泥為長沙市場上常用的海螺水泥、中材水泥和華新水泥，均為 P·O42.5R，摻量為凝膠材料的2.0%?；炷列阅芙Y(jié)果如表2。

表2　不同聚羧酸保坍劑用不同水泥配制的混凝土性能

從表2可以看出，混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103具有明顯的緩釋保坍性能和良好的適應(yīng)性，其緩釋保坍效果明顯優(yōu)于市場上3個不同廠家生產(chǎn)的聚羧酸保坍劑產(chǎn)品。并且，3種水泥配制的混凝土粘聚性、和易性均較好，強(qiáng)度也較好。

2.3.2復(fù)配使用的混凝土工作性能

由于混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103早期流動度小，后期緩慢釋放，一般和減水劑復(fù)配使用。本試驗選擇用湖南銘煌科技發(fā)展有限公司自行研制的聚羧酸減水劑 PC-101（淡黃色液體，固含40%，減水率可達(dá)25% 以上）與混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103復(fù)配，使其早期流動性和保坍性能也好。根據(jù)使混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度相同或相似，按照不同的比例復(fù)配，復(fù)配濃度為10%，水泥為長沙市場上常用的海螺水泥、中材水泥和華新水泥，均為 P·O42.5R，混凝土配合比同表1，摻量為凝膠材料的2.0%?；炷列阅軠y試結(jié)果如表3。

由表3的試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)聚羧酸減水劑 PC-101單獨(dú)使用時，混凝土損失較大，2h 后流動性很??；復(fù)配混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103后，在復(fù)配比例為4.7∶1到3.5∶5之間（即達(dá)到混凝土初始坍落度和擴(kuò)展度相同或者相近）時，混凝土的粘聚性和初始流動度基本不受影響，2h內(nèi)混凝土坍落度保持性良好，這主要由于混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103有緩釋的特性，混凝土漿體中的有效減水劑分子會不斷地補(bǔ)充已吸附并水化物覆蓋了減水劑分子，使拌合物坍落度得以保持。隨著混凝土專用聚羧酸保坍劑PC-103比例的不斷提高，保坍性能稍有提高，但初始流動性也有所降低，這是因為混凝土拌合物初始的流動性主要由普通聚羧酸減水劑 PC-101提供，而后期的流動度則由新型聚羧酸保坍劑 PC-103提供。隨著混凝土專用聚羧酸保坍劑PC-103摻量的增加，聚羧酸減水劑 PC-101的作用減小，使流動性變小，混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103有較好的保坍型，從而改善了混凝土的后期流動性能。

表3　復(fù)配產(chǎn)品用于海螺水泥混凝土性能測試結(jié)果

對于不同亞甲藍(lán)值的機(jī)制砂復(fù)配使用的工作性能，見表4。

表4　復(fù)配產(chǎn)品用于華新水泥混凝土性能測試結(jié)果

從表4可以看出，隨著機(jī)制砂的亞甲藍(lán)值（MB）的增加，混凝土達(dá)到同樣的初始坍落度時，所需要的聚羧酸減水劑 PC-101的摻量急劇增加，而使用了 PC-103與其復(fù)配的外加劑在摻量上并沒有 PC-101遞增明顯。同時隨著機(jī)制砂亞甲藍(lán)值不斷升高，PC-101的經(jīng)時損失急劇加大，而復(fù)配了PC-103的外加劑具有良好的坍落度保持能力。這可能因為PC-101的抗吸附能力比較弱，而 PC-103對于含泥量高的機(jī)制砂具有良好的適應(yīng)性。

3　結(jié)論

通過對混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103進(jìn)行水泥凈漿流動度、水泥適應(yīng)性、混凝土應(yīng)用性能的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過與其他同類聚羧酸保坍劑的凈漿流動度對比，混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103具有明顯的緩釋效果，緩釋分散效果在2h 左右達(dá)到最大約280mm。說明該保坍劑可以明顯提高水泥的流動度，保坍效果較好。

（2）混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103與長沙市市銷的大部分水泥適應(yīng)性良好，其中該保坍劑與海螺水泥和中材水泥的適應(yīng)性稍優(yōu)于華新水泥。

（3）混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103與聚羧酸減水劑PC-101復(fù)配使用后，效果更好。不僅保證了混凝土的早期流動度，而且可以減少后期混凝土的經(jīng)時損失，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

（4）混凝土專用聚羧酸保坍劑 PC-103針對吸附能力高的機(jī)制砂具有良好的適應(yīng)性及保坍能力。

[1] 王子明．聚羧酸系高性能減水劑－制備、性能與應(yīng)用[M]． 中國建筑工業(yè)出版社，2009．

[2] 卞榮兵，繆昌文．聚羧酸高效保坍劑的研制與應(yīng)用[J]．混凝土世界，1999,07(19)：36-38．

[3] 孫正平，楊輝．國內(nèi)聚羧酸系減水劑的研究進(jìn)展及展望[J]．混凝土世界，2013,3：31-35．

[4] 盛喜憂，王萬金，賀奎，等．緩釋型聚羧酸系高性能減水劑的研發(fā)與應(yīng)用[J]. 混凝土，2012,6：68-70．

［通訊地址］湖南省長沙市岳麓區(qū)湖南大學(xué)民主村6棟（410082）

Study on production and performance of polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent

He Hailiang1,2, Yan Jie2, Min Yahong1,2, Yang Ge2,Yuan Jiantao2, Wu Zhenjun1
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering Hunan University, HunanChangsha410082;2.Hunan Minghuang Technology Development Co., Ltd., HunanChangsha410205)

The polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent was synthesized to remit quick slump loss caused by high silt content and high stone powder content, or poor quality of manufactured sand. Experiments show that the polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent PC-103performed well in controling slump loss. The dispersion effect is about280mm in about two hours. The admixture of PC-103and ordinary polycarboxylates superplasticizer has a better performance than single use in improving concrete workability in terms of slump-retaining capability and compatibility with high-absorbability manufacturing sand.

polycarboxylate; slump-retaining agent; compatibility; compounding

賀海量，男，湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，工學(xué)博士 。長期從事混凝土和外加劑的研究與應(yīng)用工作。