醚類聚羧酸保塑劑的制備及性能研究

張博恒，劉榮進，2，陳平，2

(1.桂林理工大學 材料科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.廣西工業(yè)廢渣建材資源利用工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004)

近年來，基于節(jié)約資源、環(huán)境保護、提高工程質(zhì)量等原因，禁止現(xiàn)場攪拌砂漿，推廣使用濕拌砂漿已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)共識和行業(yè)政策。將完成拌合的砂漿通過專業(yè)運輸設(shè)備運送至施工現(xiàn)場，直接使用[1-2]。濕拌砂漿具有成本低，質(zhì)量穩(wěn)定，無需施工現(xiàn)場二次加水拌和等優(yōu)勢，但使拌和好的砂漿能長時間保持良好的塑性是其推廣應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵[3-5]。為改善濕拌砂漿施工性能，常用方法是添加專用砂漿外加劑。濕拌砂漿外加劑通常由保水增稠組分、引氣組分、緩凝組分、增強組分復(fù)配而成，主要起到減水增強、增稠保水、緩凝作用[6-8]。聚羧酸外加劑具有摻量低、分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計等優(yōu)點，常用于制備混凝土外加劑起到減水、保坍、早強等作用[9-11]。基于“按性能設(shè)計材料”的思想，本文根據(jù)聚羧酸分子可設(shè)計性，研制了一種適合在濕拌砂漿中使用的醚類聚羧酸保塑劑，并測試了在不同的合成條件下保塑劑對濕拌砂漿施工性能的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

烯丙基聚氧乙烯醚(APEG，分子量約2 400)，工業(yè)級；馬來酸酐(MAL)、丙烯酸(AA)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、過硫酸銨(APS)、甲基丙烯磺酸鈉(SMAS)均為分析純；海螺P·O42.5級水泥；中砂；自來水。

DF-101型磁力攪拌器；FA-2004型電子天平；IRTracer-100型傅里葉變換紅外光譜儀；JJ-5型膠砂攪拌機；DYE-300S型抗折抗壓試驗機；SZ-145型砂漿稠度儀；I-Cal型水化微量熱儀。

1.2 醚類聚羧酸保塑劑的合成

在配制有溫度計、回流冷凝器的四頸燒瓶中加入單體烯丙基聚氧乙烯醚(占單體總量的81.7%)和部分水，水浴加熱至80 ℃，分別滴加引發(fā)劑過硫酸銨溶液(用量3%)和馬來酸酐(用量10.4%)、丙烯酸(用量6.5%)、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸(用量1.4%)及鏈轉(zhuǎn)移劑甲基丙烯磺酸鈉(用量1%)混合水溶液，滴加時間3 h。滴加完成后繼續(xù)保溫3 h，冷卻后加堿液調(diào)整pH至6～7，得醚類聚羧酸保塑劑。

1.3 砂漿性能測試

砂漿的稠度、保水率測試按照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能的試驗方法標準》進行測試。保塑性能的測試方法：將拌和均勻的砂漿置于不吸水的塑料桶中，加蓋密封，置于(20±1)℃的環(huán)境中，消除溫度因素及儲存條件對砂漿性能的影響。存放12 h后將砂漿取出，重新測量砂漿稠度。水化熱性能采用水化微量熱儀測定，按水膠比0.5，恒定溫度25 ℃，測量時間168 h，計算試樣的放熱速率和累積放熱量。

2 結(jié)果與討論

2.1 保塑劑的FTIR分析

圖1為保塑劑的FTIR圖，KBr壓片法。

圖1 保塑劑的FTIR圖

2.2 保塑劑對濕拌砂漿稠度損失的影響

2.2.1 保塑劑聚合溫度對濕拌砂漿稠度損失的影響 固定單體的配比及鏈轉(zhuǎn)移劑和引發(fā)劑的用量，考察不同聚合溫度下保塑劑對砂漿性能的影響，保塑劑摻量1%(下同)，結(jié)果見圖2。

圖2 聚合溫度對濕拌砂漿稠度損失的影響

由圖2可知，隨著聚合溫度的增加，新拌砂漿稠度受溫度影響不大，保持穩(wěn)定在100～110 mm范圍，在聚合溫度為70 ℃時達到最大值109.5 mm。存放12 h后，砂漿的稠度隨著聚合溫度的增加，呈先增加后降低的趨勢，并在80 ℃時達到最大102 mm。稠度損失率也隨溫度升高而降低。保塑劑合成的聚合反應(yīng)速率受自由基濃度影響，而溫度升高有助于加速引發(fā)劑的分解及自由基的生成。適當?shù)纳邷囟扔欣诒Ｋ軇┑暮铣桑^高的反應(yīng)溫度也會使分子鏈交聯(lián)或大分子鏈斷裂，性能有所下降。綜合考慮砂漿稠度以及稠度損失率，聚合反應(yīng)溫度為80 ℃。

2.2.2 保塑劑中引發(fā)劑用量對濕拌砂漿稠度損失的影響 固定聚合溫度單體的配比及鏈轉(zhuǎn)移劑的用量，考察引發(fā)劑用量、對砂漿性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 引發(fā)劑用量對濕拌砂漿稠度損失的影響

由圖3可知，當引發(fā)劑用量低時，砂漿稠度偏低，隨著引發(fā)劑用量的增加，新拌砂漿稠度和存放12 h后砂漿稠度總體上均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，引發(fā)劑用量4%時達到最大值，新拌砂漿稠度106.5 mm，保存12 h后稠度91 mm。砂漿稠度及砂漿稠度損失率在引發(fā)劑用量4%時性能最佳。

隨著引發(fā)劑用量的變化，反應(yīng)過程中自由基濃度也會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。當自由基濃度低時，合成的保塑劑分子鏈較長，體系粘度大，易產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象且不利于分散。隨著引發(fā)劑用量增加，合成的保塑劑分子量降低，體系粘度下降，分散性逐漸提升，砂漿稠度升高，但當引發(fā)劑用量過高時會導(dǎo)致分子鏈過短，主鏈所帶的負電基團較少，靜電斥力較小，影響保塑劑在水泥中的分散能力。

2.2.3 保塑劑中鏈轉(zhuǎn)移劑用量對濕拌砂漿稠度損失的影響 在確定聚合溫度和引發(fā)劑用量的最優(yōu)合成條件下，固定單體的配比，考察鏈轉(zhuǎn)移劑用量對砂漿性能的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，隨著鏈轉(zhuǎn)移劑用量的增加，砂漿稠度基本呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當鏈轉(zhuǎn)移劑用量為1%時，新拌砂漿稠度和存放12 h后砂漿稠度及砂漿稠度損失率最佳。這是由于隨著鏈轉(zhuǎn)移劑的用量增加，保塑劑分子量逐漸減少，當分子量達到一個合適的范圍內(nèi)，砂漿稠度會達到一個最大值，而當用量過高，保塑劑分子量過低不利于對水泥的分散性及分散保持性。

圖4 鏈轉(zhuǎn)移劑用量對濕拌砂漿稠度損失的影響

2.3 保塑劑與緩凝劑復(fù)配對濕拌砂漿性能的影響

為了研究保塑劑和緩凝劑對濕拌砂漿性能的影響，測試1%摻量保塑劑與0.1%摻量緩凝劑蔗糖單摻，以及0.5%保塑劑和0.1%蔗糖復(fù)配制備濕拌砂漿性能，結(jié)果見表1。

表1 保塑劑及緩凝劑對濕拌砂漿性能的影響

由表1可知，當單獨摻入緩凝劑時，砂漿新拌稠度為90 mm，保水率為84.1%，表觀密度為2 245 kg/m3，砂漿稠度、保水率與表觀密度相對空白組無明顯變化，且存放12 h后稠度為55 mm，失去塑性，無法使用。當摻入1%的保塑劑時，砂漿的稠度和保水率明顯增加，表觀密度明顯下降，且放置12 h后，砂漿稠度依然保持在98 mm，具有良好的施工性能。當摻入保塑劑與蔗糖復(fù)配使用時，砂漿的稠度和保水率同樣得到了提升，稠度、保水率與表觀密度相比保塑劑單摻效果相差不大。通過蔗糖的復(fù)配，可適當減少保塑劑的摻量，且有利于根據(jù)施工要求的存放時間調(diào)整濕拌砂漿的配比。

2.4 保塑劑與緩凝劑對水泥水化放熱性能影響

水泥水化放熱大小、放熱速率直接影響了砂漿的工程質(zhì)量。特別是對于濕拌砂漿需要在拌合后保持一定時間的塑性，水化放熱速率會影響砂漿稠度損失速率及施工性能。分別將保塑劑、蔗糖緩凝劑和復(fù)配后外加劑的水泥凈漿進行7 d水泥水化放熱測試，結(jié)果見圖5。

圖5 保塑劑與緩凝劑對水泥水化放熱影響

由圖5中放熱曲線可以看出，空白樣的早期放熱速率峰值最高，8.6 h達到最大放熱速率；摻入保塑劑樣的放熱速率峰值降低不明顯，比空白樣放熱峰值降低12.7%，16.7 h達到放熱速率峰值。當有緩凝劑組分摻入時，水泥水化加速期的放熱速率明顯減緩，單摻蔗糖樣比空白樣放熱速率峰值降低59.3%，復(fù)摻保塑劑和蔗糖樣比空白樣放熱速率峰值降低70.1%。單摻保塑劑樣7 d水化放熱總量比空白樣降低4.2%，摻入緩凝劑的蔗糖樣及復(fù)配樣水化減速期的放熱速率降低緩慢，7 d放熱總量較空白樣放熱總量降低11.3%和6.8%。保塑劑和緩凝劑的摻入降低了水泥早期水化放熱的峰值，延緩了放熱峰的出現(xiàn)時間，有利于濕拌砂漿早期塑性的保持，且后期放熱總量降低不明顯，對砂漿工程質(zhì)量無明顯影響。

3 結(jié)論

(1)聚合溫度、引發(fā)劑用量、鏈轉(zhuǎn)移劑用量對砂漿稠度的影響均呈先上升后下降的趨勢，對稠度損失率呈先下降后上升的趨勢。保塑劑的最佳合成工藝為：聚合溫度為80 ℃，引發(fā)劑用量占單體總量的3%，鏈轉(zhuǎn)移劑用量1%。當在濕拌砂漿中摻入1%保塑劑時，12 h稠度損失3%，保水率為91.8%。

(2)摻入保塑劑制備的濕拌砂漿保塑性能優(yōu)異滿足一般工地施工要求，砂漿稠度、保水率及表觀密度得到較大改善。將保塑劑和緩凝劑復(fù)配用于濕拌砂漿中可適當減少保塑劑用量，對保塑及其他性能無負面影響。

(3)保塑劑和緩凝劑的摻入降低了水泥早期水化放熱的峰值，延緩了放熱峰的出現(xiàn)時間，有利于濕拌砂漿早期塑性的保持，延長濕拌砂漿存放時間。