高保坍型聚羧酸系減水劑的研究

1 引言

　　聚羧酸系外加劑與傳統(tǒng)外加劑相比由于具有優(yōu)異的分散性能、良好的坍落度保持能力已成為了世界性的研究熱點(diǎn)和發(fā)展重點(diǎn)[1-3]。我國由于核電、水利、橋梁、隧道等大型基礎(chǔ)設(shè)施的興起，尤其是國家鐵路客運(yùn)專線網(wǎng)工程的規(guī)劃實(shí)施，對(duì)高性能外加劑的市場需求持續(xù)增長。雖然聚羧酸外加劑優(yōu)異的減水性能和良好坍落度保持能力已被業(yè)界廣泛認(rèn)可，但由于存在對(duì)水泥礦物組成、水泥細(xì)度、石膏形態(tài)和摻量、外加劑添加量和、配合比、用水量以及混凝土拌合工藝具有極高的敏感度，嚴(yán)重影響了現(xiàn)有產(chǎn)品在工程中的廣泛應(yīng)用[4-6]。特別是我國水泥種類繁多，集料質(zhì)量地區(qū)差異很大，往往造成新拌混凝土坍落度損失大，難以保證混凝土的質(zhì)量。

　　顯然未來混凝土化學(xué)外加劑將受到內(nèi)部建筑工業(yè)及外部資源等多方面的限制，要想解決這些問題，必須開發(fā)出適應(yīng)性更強(qiáng)的外加劑，尤其是開發(fā)具有超強(qiáng)坍落度保持能力的聚羧酸外加劑就十分必要，這類外加劑既可以單獨(dú)使用或和現(xiàn)有聚羧酸外加劑復(fù)配使用，解決現(xiàn)有聚羧酸外加劑高溫保坍的技術(shù)難題。據(jù)報(bào)道[7]馬來酸酐與異丁烯共聚物、丙烯酸交聯(lián)聚合物以及梳形接枝共聚物可以用來控制坍落度損失，這些技術(shù)對(duì)于控制坍落度損失是有效的，但仍然存在坍落度保持時(shí)間不長和高溫失效的缺陷，而且減水性能較差。本課題組前期針對(duì)萘系減水劑也開發(fā)了系列保坍組分[9-10]，對(duì)傳統(tǒng)萘系減水劑是非常有效的，但對(duì)聚羧酸的適應(yīng)性差。
本文研究了一種新型的高坍落度保持能力聚羧酸鹽外加劑，這種外加劑同目前的聚羧酸鹽高效減水劑相比，具有更優(yōu)異的保坍性能，尤其是夏季高溫環(huán)境下以及對(duì)中、低流動(dòng)性混凝土具有良好的適應(yīng)性。

　　2 理論與實(shí)驗(yàn)部分

　　2.1高保坍型聚羧酸系高效減水劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念

　　聚羧酸鹽外加劑主鏈化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有大量羧基、磺酸基負(fù)離子提供電斥力和吸附點(diǎn)，含有聚乙二醇長側(cè)鏈提供空間位阻效應(yīng)，其分散性能的高低和坍落度保持能力和聚合物的吸附密切相關(guān)。早期吸附快，吸附量大，空間位阻效應(yīng)強(qiáng)，則初始分散性能強(qiáng)；早期吸附量少，吸附速度慢，則初始分散性能差、但分散保持性能優(yōu)異。

　　大量研究表明，混凝土拌合物液相中殘存減水劑的濃度變化與坍落度損失緊密相關(guān)。當(dāng)減水劑添加到水泥-水體系中，大量減水劑吸附在水泥顆粒表面或早期水化物上,它或是被水化物包圍,或是與水化物反應(yīng)而被消耗掉,其減水作用隨時(shí)間延長而降低，水泥顆粒間斥力減小,造成水泥顆粒凝聚,這是造成摻減水劑的混凝土坍損的根本原因。因此坍落度損失的快慢主要取決于高效減水劑分散能力降低的速率。

　　本研究根據(jù)新拌混凝土坍落度損失原理，同時(shí)借鑒減水劑后摻法和反應(yīng)性高分子的研究思路，從改變外加劑吸附行為的角度著手，設(shè)計(jì)和開發(fā)了一種具有優(yōu)異坍落度保坍能力，同時(shí)又具有一定分散性能的聚羧酸系減水劑(HSE)。新型的高保坍型聚羧酸和接枝共聚物外加劑減水劑具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，但接枝側(cè)鏈更長，羧基比例更低，同時(shí)共聚物分子結(jié)構(gòu)中具有酯交聯(lián)點(diǎn)。共聚物分子中聚乙二醇長側(cè)鏈提供了空間位阻效應(yīng)，延緩了水泥顆粒的物理凝聚，只要少量聚合物吸附在水泥-水界面上，就能提供一定的分散性。分子中的酯鍵交聯(lián)點(diǎn)在水泥堿性介質(zhì)中水解，緩慢向水一水泥體系中釋放出具有分散功能的低分子量共聚物，補(bǔ)充由于C3A、C4AF消耗的減水劑,使體系中的減水劑始終維持在臨界膠束狀態(tài),使坍落度不損失或損失很小。

　　2.2試驗(yàn)部分

　　2.2.1試驗(yàn)原材料

2.4.2試驗(yàn)方法

　　水泥凈漿試驗(yàn)

　　試驗(yàn)條件及方法：水泥300g，加87ml自來水及所需高效減水劑。使用SS-160A雙轉(zhuǎn)雙速水泥凈漿攪拌機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)程序攪拌后，用Ø上=36mm，Ø下=64mm，高60mm的截錐圓模，在平板玻璃上測定不同時(shí)間的水泥凈漿擴(kuò)展度。

　　標(biāo)準(zhǔn)條件下新拌混凝土性能

　　外加劑減水率、含氣量、凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)方法參照GB8076-97《混凝土外加劑》的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行；坍落度及坍落度損失參照J(rèn)C473-2001《混凝土泵送劑》相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

　　高溫環(huán)境下新拌混凝土性能

　　高溫混凝土試驗(yàn)測試了中、低坍落度混凝土的損失情況。預(yù)先將水泥、砂、石子放到高溫室預(yù)熱，同時(shí)試驗(yàn)用水也進(jìn)行預(yù)熱到指定溫度，混凝土攪拌完畢后放入高溫室，不同的時(shí)間測試其坍落度變化情況。

　　吸附性能測試

　　稱取重10g水泥試樣加入到各種濃度的接枝共聚物溶液20ml中，搖動(dòng)充分混合后置于恒溫箱中(20℃)，5min后，用吸濾器濾出液體部分，采用高速離心機(jī)離心分離濾液，收集離心管上部清液作濃度測定。采用總有機(jī)碳分析來測定濾液中有機(jī)碳的含量，從分散劑添加總量中減去濾液中通過有機(jī)碳計(jì)算出的分散劑量就得到分散劑被膠凝材料顆粒吸附的吸附量。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1凈漿性能