减水保坍型聚羧酸母液的合成及性能研究

陈文红，邓磊，蒋禹，艾玲，李剑梅

[科之杰新材料集团（贵州）有限公司，贵州 龙里 551206]

0 前言

聚羧酸减水剂从20世纪80年代开始不断发展，起初由日本媒触公司开始研究并生产，随后欧美地区及我国也掀起聚羧酸减水剂的研究热潮[1]。目前市场上生产的聚羧酸减水剂从性能上可分为减水型、保坍型、超缓释型、早强型、降黏型等[2]，由于其生产技术成熟，生产工艺相对简单，经济适用，分子结构多样化且可控制，在低掺量情况下具有较高的混凝土减水率等优点，已成为建筑工程中不可或缺的外加剂之一。

国内聚羧酸生产厂家主要通过改性聚醚、丙烯酸及丙烯酸衍生物等为原料合成减水缓释型聚羧酸减水剂。由于丙烯酸空间位相对较小和含有亲水性羧基官能团，其合成的聚羧酸减水剂对水泥、砂石等物料吸附性及分散性较好[3]。但砂石等原材料复杂多变，混凝土性能要求越来越高，普通聚羧酸减水剂达不到现场施工的要求。因而需要引入特定功能性单体对聚羧酸减水剂进行改性，通常需要引入酯类单体[4]、含氮单体及含磷单体等对聚羧酸减水剂进行改性，以使其性能能够满足混凝土现场施工要求。

为了解决混凝土初始搅拌状态及后期坍落度与扩展度保持能力等问题，要求聚羧酸减水剂具有“减水+缓释”等功能。本研究采用改性聚醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、丙烯酸羟丙酯（HEA）、聚乙二醇酯化大单体进行自由基聚合反应。聚乙二醇酯化大单体的引入可有效改善混凝土流动性、保水性、粘聚性等问题，有利于混凝土现场施工。

1 试验

1.1 主要原材料与仪器设备（见表1、表2）

表1 试验原材料

表2 主要仪器设备

1.2 减水保坍型聚羧酸母液的制备

向带有搅拌器的反应釜中加入TPEG3000（220 g），PCM（2.5 g）和水（160.75 g），温度升高至35℃搅拌至溶液为无色透明，同时滴加A、B、C三种溶液，其中A液为AA（18 g）与水（20 g）的混合液，B液为Vc（0.3 g）、TGA（0.75 g）与水（30 g）的混合液，C液为H2O（21.1 g）与水（30 g）的混合液。A液滴加反应2 h，B、C液滴加反应2.5 h，35℃恒温反应1 h后，加入固体NaOH（3 g）搅拌至溶解，得到无色透明、固含量为50%的减水保坍型聚羧酸母液SC。

1.3 性能测试方法

（1）水泥净浆流动度：按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试，水灰比为0.29，外加剂折固掺量为0.20%。

（2）混凝土性能测试：参照GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行C30混凝土性能试验，外加剂固含量为15%，掺量为1.80%，混凝土配合比如表3所示。

表3 试验混凝土配合比 kg/m3

2 结果与分析

2.1 GPC分析

对合成的减水保坍型聚羧酸母液SC进行GPC分析，结果见图1和表4。

图1 减水保坍型聚羧酸母液SC的GPC积分曲线

表4 SC的GPC数据分析

由图1和表4可知，减水保坍型聚羧酸母液SC在17 min时出现尖峰，峰值分子质量Mp为35 208，其重均分子质量Mw为47 659，多分散系数为1.60，22.5 min时出现较小峰，峰值分子质量Mp为1085，分子质量分布较窄，从2个峰积分面积比可看出反应转化率较高，高达92.72%。

2.2 红外光谱分析

对减水保坍型聚羧酸母液SC进行红外光谱分析，结果见图2。

由图2可见，3502 cm-1处为羟基—OH的伸缩振动吸收峰，2871 cm-1处为烷基—C—H的伸缩振动吸收峰，1455 cm-1和1350 cm-1处为烷基—C—H的面内弯曲振动吸收峰，1726 cm-1处为羰基C=O的伸缩振动吸收峰，1107 cm-1处为醚键C—O—C的伸缩振动吸收峰。可推测SC可能的结构式如图3所示。

图2 减水保坍型聚羧酸母液SC的红外光谱

图3 减水保坍型聚羧酸母液SC的分子结构

2.3 水泥净浆试验

将合成的减水保坍型聚羧酸母液SC与市售同类型母液（JS）进行水泥净浆流动度对比试验，外加剂折固掺量均为0.20%，测试结果如表5所示。

表5 SC和JS的水泥净浆试验结果

由表5可知，掺市售同类型母液JS的水泥净浆初始流动度为182 mm，1 h流动度为186 mm，2 h流动度大幅减小至136 mm，2 h经时流动度损失达46 mm；相同掺量条件下，掺减水保坍母液SC的水泥净浆初始流动度为206 mm，1 h流动度增大至228 mm，2 h流动度为212 mm，2 h经时流动度损失为-6mm。表明合成的减水保坍母液SC的分散性和分散保持性均优于市售同类型母液JS。

2.4 混凝土应用性能

为比较2种母液混凝土应用性能的差异，将市售减水缓释母液JS与合成的减水保坍型聚羧酸母液SC加水稀释至固含量为15%的外加剂溶液，然后按表3配合比进行C30混凝土试验。混凝土搅拌机搅拌时间设定为2 min，观察混凝土出机状态，结果见图4。2种混凝土的性能测试结果如表6所示。

图4 掺JS与SC的混凝土出机状态对比

由图4可见：掺市售外加剂JS的混凝土，浆体较少且混凝土较为黏稠，流动性稍差，少许石子裸露于混凝土表面；掺合成减水保坍型聚羧酸母液SC的混凝土流动性较好，浆体富余，浆体对石子的包裹性较好。从混凝土状态看，掺SC混凝土的流动性、保水性、粘聚性明显优于掺JS的混凝土。

表6 混凝土性能测试结果

由表6可见：

（1）掺外加剂JS的混凝土初始坍落度为215 mm、扩展度550 mm，混凝土经时2 h坍落度损失为35 mm、扩展度损失为55 mm。相同掺量条件下，与掺JS的混凝土相比，掺SC的混凝土初始坍落度增大5 mm，扩展度增大25 mm；同时，混凝土坍落度和扩展度的2 h经时损失较小，2 h坍落度损失为5 mm，2 h扩展度损失为35mm。

（2）掺JS和SC混凝土的含气量相差不明显，混凝土凝结时间相同。

（3）掺SC混凝土的3、7、28 d抗压强度分别较掺JS的混凝土提高了3.1、3.2、2.3 MPa。

从上述混凝土性能测试结果可知，合成的减水保坍型聚羧酸母液（SC）配制成15%外加剂应用于混凝土时，能明显改善混凝土的流动性能，提高混凝土的保水性和保坍性，且在一定程度上提高了混凝土的抗压强度，具有较高的应用价值。

3 结论

（1）由GPC分析结果可知，合成的减水保坍型聚羧酸母液SC的多分散系数为1.60，分子质量分布较窄；由红外光谱分析表明，SC的分子结构中存在羧基、酯基、聚氧乙烯基等基团，与所设计减水剂分子结构相符。

（2）混凝土应用性能测试结果表明，掺减水保坍型聚羧酸母液SC所配制外加剂的混凝土较掺市售减水保坍母液JS所配制外加剂的混凝土的流动性、保水性、保坍性好。混凝土流动性具体表现为：混凝土初始扩展度较掺JS配制外加剂增大25 mm；混凝土保水性、保坍性具体表现为：掺SC混凝土的2 h坍落度经时损失仅5 mm，2 h混凝土扩展度损失仅35 mm，说明掺SC能有效改善混凝土的施工性能。

（3）与市售减水缓释母液JS相比，合成减水保坍型聚羧酸母液SC能在一定程度上提高了混凝土的力学性能，掺SC的C30混凝土3、7、28 d抗压强度分别可提高3.1、3.2、2.3 MPa。