一种磷酸酯类抗泥保坍聚羧酸减水剂的合成及应用

郭鹏飞，余燕华，黄永毅

（厦门路桥翔通建材科技有限公司，福建 厦门 361101）

0 前言

随着社会对环境、效率等要求的提高，对混凝土的性能提出了更高的要求[1]。在混凝土的组成中砂的分量占比较大，近年来，随着各种混凝土工程的增加，砂石的需求也越来越大，优质砂石原料越来越少，且因为环保的高要求、高标准，使得天然砂等被限制开采[2]。因此，催生出一批抗泥减水剂[3]、抗泥牺牲剂[4]等混凝土外加剂，但这类产品没有统一的规格、性能要求，质量良莠不齐且数量众多。当这类产品与减水剂配合使用时常会引起混凝土凝结时间过长、性能不稳定等问题，而且一般牺牲剂的成本较高，不利于大面积使用[5]。

本研究通过分子设计，在聚羧酸减水剂分子中引入抗泥单体如磷酸酯、氯化铵等，通过抗泥单体的强吸附作用，在减水剂发挥减水作用时，优先对泥土分子进行吸附，以减少减水基团的损失，起到抗泥保坍效果。通过净浆、砂浆和混凝土试验，研究其抗泥效果，同时与市售抗泥保坍型聚羧酸减水剂的性能进行对比，以验证其抗泥保坍效果。

1 试验

1.1 原材料

（1）合成原材料

丙烯酸（AA）：聚醚大单体（HPEG，Mn=2400）；抗泥单体：二甲基二烯丙基氯化铵（KBE）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS，KBA）、甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵（KBJ）和自制液体磷酸酯（KBL）；巯基乙醇、过硫酸铵、双氧水（27.5%）、丙烯酸羟乙酯、30%氢氧化钠溶液、甲苯、五氧化二磷、偶氮二异丁氰：以上原料均为工业级；维生素C（Vc）：食品级。

（2）试验材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，其主要化学成分如表1所示，物理性能如表2所示；钠基蒙脱土：密度1.56 g/cm3，蒙脱石含量≥85%，潍坊鸿翔膨润土厂；标准砂：厦门艾思欧标准砂有限公司；机制砂、河砂：粒径0.35～0.5 mm；石：粒径5～25 mm，厦门路桥翔通股份有限公司翔安分公司；普通聚羧酸减水剂：LQ-908M，固含量50%，减水率18%，厦门路桥翔通建材科技有限公司；保坍型聚羧酸减水剂：LQ-903B，固含量40%，厦门路桥翔通建材科技有限公司；抗泥型聚羧酸减水剂，KNS，固含量40%，武汉奥克技术有限公司。

表1 水泥的主要化学成分 %

表2 水泥的基本物理性能

1.2 抗泥单体磷酸酯（KBL）的制备

取一定量的丙烯酸羟乙酯加入到四口烧瓶中，加入甲苯为带水剂，滴加一定量的五氧化二磷水溶液，以偶氮二异丁氰为催化剂，在130℃下进行酯化反应，反应12～48 h，搅拌降温至室温，再减压蒸馏，得到抗泥单体磷酸酯KBL。

1.3 抗泥保坍型聚羧酸减水剂的合成

在四口烧瓶中加入底料HPEG和水，搅拌均匀，于常温滴加A液和B液，以丙烯酸、丙烯酸羟乙酯、抗泥单体的混合溶液为A液，以巯基乙醇、Vc的混合水溶液为B液，A液滴加时间2 h，B液滴加时间2.5 h，滴加完毕后熟化1 h，搅拌反应得到共聚产物，再用碱液中和pH值至弱酸性，即得到抗泥保坍减水剂（固含量40%）。

1.4 性能测试方法

（1）水泥净浆流动度：根据GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试。

（2）水泥胶砂流动度、强度按照GB/T 17671—1999《普通水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试，分析抗泥保坍减水剂对胶砂力学性能的影响。

（3）混凝土工作性能和力学性能：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》及GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 试验结果与分析

2.1 不同抗泥单体对合成减水剂抗泥保坍性能的影响

以掺采用不同抗泥单体合成减水剂的水泥净浆经时流动度，评价不同抗泥单体在不同含泥量下的保坍性能，含泥量以钠基蒙脱土掺量占水泥质量百分比计，掺采用不同抗泥单体合成减水剂在不同含泥量时的净浆流动度如表3所示。

表3 掺不同抗泥单体合成减水剂水泥净浆在不同含泥量下的流动度

由表3可见：在不同含泥量下，掺合成减水剂KBL（磷酸酯）、KBE（二甲基二烯丙基氯化铵）、KBA（AMPS）、KBJ（甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化铵）、KNS和普通聚羧酸保坍减水剂LQ-903B的净浆流动度各不相同。其中以掺KBL、KNS和LQ-903B的水泥净浆初始流动度较大，0.5 h流动度还有所增大，这是由于减水剂中的丙烯酸羟乙酯在水化初期保留水分子，在0.5 h后缓慢释放，使得净浆流动度有所增大；而其他减水剂没有，说明这些抗泥单体对丙烯酸羟乙酯有负面作用，使得保坍作用有所减弱，净浆流动度减小。当含泥量较高时（5%），掺KBL和LQ-903B的净浆在0.5 h时仍能保持较好的流动性，而掺KBJ、KBA、KBE的净浆0.5 h流动度均在130 mm以下，流动性差，经时流动度损失较大。表明KBL具有较好的抗泥性。同时掺KBL和LQ-903B的0.5 h净浆流动度均大于掺市售抗泥型聚羧酸减水剂KNS的，说明自制的磷酸类抗泥保坍减水剂具有优异的抗泥保坍性。

2.2 不同抗泥单体合成减水剂对砂浆性能的影响

取12 g普通聚羧酸减水剂LQ-908M加10 g抗泥保坍减水剂加水稀释至100 g（固含量10%），搅拌均匀备用，掺量为水泥质量的1.2%，砂的含泥量为3%（钠基蒙脱土占标准砂的质量百分比）。通过砂浆流动度和强度评价普通聚羧酸减水剂与抗泥保坍型聚羧酸减水剂的相容稳定性，测试不同抗泥保坍减水剂与普通聚羧酸减水剂LQ-908M复配时对水泥砂浆流动性和强度的影响，M10砂浆的配合比如表4所示，测试结果如表5所示。

表4 M10砂浆配合比 g

表5 不同抗泥单体合成抗泥保坍减水剂与LQ-908M复配对砂浆性能的影响

由表5可见：

（1）在相同含泥量下，掺合成减水剂KBL和LQ-903B的砂浆流动性较好，1 h流动度损失也较小，说明这2种抗泥保坍型聚羧酸减水剂与普通聚羧酸减水剂LQ-908M有较好的相容性。

（2）在砂浆养护早期（7 d），砂浆的抗压、抗折强度大小排序为：LQ-903B>KBL>KNS>KBE>KBA>KBJ>基准砂浆，说明减水剂对砂浆的抗压、抗折强度有一定影响，其中以LQ-903B、KBL和KNS对砂浆的抗压、抗折强度影响较大；随着龄期的延长（14 d），砂浆的抗压强度有所增长，砂浆的14 d抗压、抗折强度大小排序为：KBL>LQ-903B>KNS>KBE>KBA>KBJ>基准砂浆，说明合成的磷酸酯类抗泥保坍聚羧酸减水剂对砂浆后期强度有增强作用，与普通聚羧酸减水剂有较好的相容性。

2.3 混凝土应用试验

优选性能较好的抗泥保坍聚羧酸减水剂KBL、KNS、LQ-903B进行不同含泥量下的混凝土应用性能对比试验，测试抗泥保坍减水剂对混凝土工作性能及力学性能的影响。取60 g聚羧酸减水剂LQ-908M加50 g抗泥保坍减水剂加水稀释至500 g（固含量10%），C30混凝土的基础配合比如表6所示。含泥量按钠基蒙脱土占机制砂的质量百分比计，混凝土性能测试结果如表7所示。

表6 C30混凝土的基础配合比 kg/m3

表7 混凝土性能测试结果

由表7可见：

（1）掺抗泥保坍聚羧酸减水剂的混凝土试验结果与水泥砂浆试验结果基本吻合。随着含泥量的增加，混凝土的坍落度和扩展度均随之减小，说明泥土对混凝土的工作性能影响较大；在高含泥量下，混凝土的抗压强度明显降低。

（2）掺合成磷酸酯类聚羧酸减水剂KBL的混凝土在含泥量为3%～10%范围内均表现出良好的流动性，其工作性能优于掺LQ-903B、KNS的混凝土，且其混凝土强度也高于掺LQ-903B、KNS的混凝土。

3 结论

（1）在自由基反应过程中，通过引入不同抗泥单体合成4种抗泥保坍型减水剂。通过不同抗泥单体对比合成试验表明，采用自制含磷酸酯抗泥单体时合成的聚羧酸减水剂具有更佳的抗泥保坍性能。

（2）通过在不同含泥量下的净浆、砂浆和混凝土试验，将合成减水剂与市售保坍型聚羧酸减水剂的性能进行对比。结果显示，所合成的磷酸酯类抗泥保坍聚羧酸减水剂具有优异的抗泥、保坍效果，且对混凝土有一定的增强作用，可在一定程度上降低高含泥量带来的负面影响。