APEG系聚羧酸減水劑的新研發(fā)

王虎群，楊曉峰，熊衛(wèi)鋒

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101309）

APEG系聚羧酸減水劑的新研發(fā)

王虎群，楊曉峰，熊衛(wèi)鋒

（北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101309）

本研究從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)設(shè)計(jì)出以 APEG、AMPS、丙烯酸、順酐單羥丙酯在過硫酸銨引發(fā)劑的作用下，直接聚合得到 APEG 系列聚羧酸鹽減水劑。采用紅外光譜對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，對(duì)合成中影響減水劑性能的各項(xiàng)因素進(jìn)行了探討，獲得了最佳工藝條件。通過對(duì)混凝土的性能檢測(cè)，得到聚羧酸減水劑分散和保塑性的規(guī)律。

APEG；聚羧酸減水劑；合成工藝；混凝土

0 前言

聚羧酸減水劑作為新一代超塑化劑以其減水率高、無(wú)污染綠色等特點(diǎn)，已經(jīng)在混凝土工程及砂漿產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用[1,2]。然而聚羧酸減水劑行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，主要以較低的成本和高的性價(jià)比來(lái)占據(jù)市場(chǎng)。從市面上的聚羧酸減水劑類型可以看出較低合成成本的產(chǎn)品仍然停留在烯丙基醚單體的選用上，然而此產(chǎn)品由于其減水率和保持性都無(wú)法與現(xiàn)有的 TPEG 產(chǎn)品相媲美，所以對(duì)其研究和應(yīng)用已經(jīng)逐漸減少。山西大學(xué)王玲教授[3]研究了采用衣康酸來(lái)提高烯丙基醚類聚羧酸減水劑的減水率，得到了較好的結(jié)果，從而也為烯丙醚類聚羧酸減水劑的研究奠定了基礎(chǔ)。

曾小君等[4]研究 APEG 與丙烯酸和丙烯酰胺共聚后的性能，結(jié)果顯示其具有較高的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；劉建平教授[5]開發(fā)了一種新型聚羧酸系高效減水劑，通過采用 APEG作為單體與酒石酸改性的馬來(lái)酸酐和 AMPS（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸）進(jìn)行共聚而成，也突出了其研究的高減水率和保坍性能。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者也對(duì) APEG 進(jìn)行了研究包括其早強(qiáng)作用、抗泥作用等等[6-7]。本試驗(yàn)也是通過分子設(shè)計(jì)理論以小分子量的酯化單體以及 AMPS、丙烯酸、丙烯酸羥乙酯合成了APEG 系列，探討了反應(yīng)單體摩爾比、引發(fā)劑的用量等條件對(duì)混凝土性能的影響，得出最佳的合成工藝，并且利用紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征及相關(guān)的性能測(cè)試。

1 試驗(yàn)

1.1 APEG 系列聚羧酸減水劑的合成試驗(yàn)

在溫度為 55～65℃ 下，向四口圓底燒瓶中加入單體以及少量的順酐單羥丙酯，緩慢地滴加丙烯酸和 AMPS 的混合液及引發(fā)劑溶液，控制滴加速率 2.5h 滴完保溫 2h，引發(fā)劑的用量為單體總質(zhì)量的 1.1%。溶液的總濃度控制在 40%～45% 之間，最后用 30% 濃度的氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié) pH 至 5～6 之間，得到亮黃色粘性液體聚羧酸減水劑（CR-P101）。

1.2 水泥凈漿和混凝土的測(cè)定

水泥選用華新 P·O42.5 水泥；砂石材料主要來(lái)源于湖南周邊地區(qū)的河砂，其中，細(xì)度模數(shù) 2.5，含泥量 2%～3%；碎石粒徑范圍為 5～25mm；礦物摻合料選用路橋公司的 Ⅱ 級(jí)粉煤灰；按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中測(cè)定水泥凈漿流動(dòng)度的方法進(jìn)行測(cè)定。按照 GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》中混凝土性能測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)用的混凝土配合比如表 1。

表 1 試驗(yàn)采用的混凝土配合比 kg/m3

2 結(jié)果與討論

2.1 聚羧酸減水劑的表征和凈漿性能

聚羧酸減水劑的紅外光譜如圖 1 所示。在圖 1 中，減水劑在波數(shù) 3423cm-1的吸收峰為 N-H 鍵或分子間締合 O-H 的峰值的伸縮振動(dòng)，2881cm-1為亞甲基 CH2伸縮振動(dòng)的特征吸收峰，1726m-1為 AMPS 上 C=O 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)，順酐單羥丙酯的 C=O 吸收峰也掩蔽其中，而 1645cm-1為丙烯酸 C=O 的對(duì)稱伸縮振動(dòng)然而較弱，1107cm-1為醚的伸縮振動(dòng)吸收峰，很明顯圖譜基本可以表征合成的減水劑單體基團(tuán)已經(jīng)嵌入化合物分子結(jié)構(gòu)中[8]。

圖 1 CR-P101 聚羧酸減水劑紅外光譜圖

在 W/C=0.29 下，聚羧酸減水劑折固摻量為 0.15%，測(cè)定凈漿流動(dòng)度之后，采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)進(jìn)行相應(yīng)漿體粘度的測(cè)定試驗(yàn)見圖 2 所示，從圖 2 可以看出，漿體粘度與聚羧酸減水劑摻量之間存在近似線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨著時(shí)間延長(zhǎng)漿體粘度迅速增加，不同的水泥凈漿的粘度值變化也各有差異，海螺、華新水泥，2h 后粘度變化不大，而洋坊和冀東水泥粘度急劇增大，表明后期保持較差。高流動(dòng)性水泥漿體的粘度在20～100mPa·s 之間，對(duì)滿足混凝土粘聚性要求最為有利[9]。

圖 2 CR-P101 聚羧酸減水劑對(duì)不同水泥的初始粘度及經(jīng)時(shí)變化的影響

2.2 聚羧酸減水劑的混凝土性能

2.2.1 不同氧化還原體系聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能的影響

測(cè)試了不同氧化還原體系工藝條件所得減水劑的分散性。圖 3 顯示了四種氧化還原體系下的混凝土坍落度的變化曲線，由圖 3 所示，四種不同氧化環(huán)氧體系下混凝土的坍落度差別明顯較大，3 號(hào)體系產(chǎn)品初始坍落度和 1h 保持都是最好的。另外在此基礎(chǔ)上研究了 3 號(hào)氧化還原體系下氧化劑的用量對(duì)減水劑性能的影響如圖 4 所示，氧化劑用量為單體1.1% 時(shí)其混凝土的擴(kuò)展度和坍落度最大，進(jìn)一步增加氧化劑用量坍落度基本不改變而擴(kuò)展度略呈降低趨勢(shì)，可能由于氧化劑用量過大，聚合反應(yīng)分子碰撞速率過快，導(dǎo)致分子量降低，使得分散能力略有下降。

圖 3 不同氧化還原體系，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能的影響

圖 4 不同氧化劑用量，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能的影響

2.2.2 不同 AMPS 比例對(duì)聚羧酸減水劑混凝土性能的影響

圖 5 顯示了反應(yīng)單體 AMPS 的比例對(duì)混凝土擴(kuò)展度的影響，從圖上可以看出，AMPS 加入后確實(shí)使得產(chǎn)品分散性能得到很大的提高，而且隨著加入的量增大，混凝土擴(kuò)展度越來(lái)越大，當(dāng) AMPS 為單體總量的 2.2% 時(shí)混凝土性能最佳，繼續(xù)增大比例擴(kuò)展度基本無(wú)明顯變化，可能由于 AMPS 單體游離較多，不能參與反應(yīng)而使得對(duì)產(chǎn)品性能無(wú)影響。

圖 5 不同 AMPS 的用量，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能的影響

2.2.3 反應(yīng)溫度對(duì)聚羧酸減水劑混凝土性能的影響

圖 6 顯示了不同溫度下產(chǎn)品的混凝土性能，從圖上可以看出隨著反應(yīng)溫度的升高，保持性能逐漸地降低，而初始擴(kuò)展度在增加，所以高溫反應(yīng)的減水率略高，綜合分析，產(chǎn)品在聚合反應(yīng)溫度 65℃ 下混凝土性能最佳。

圖 6 不同反應(yīng)溫度，聚羧酸減水劑對(duì)混凝土性能的影響

2.2.4 聚羧酸減水劑對(duì)不同水泥的混凝土適應(yīng)性

在聚羧酸減水劑摻量均為 2.1% 情況下，采用 5 種水泥配制的混凝土坍落度和抗壓強(qiáng)度見表 2。由表 2 可見，冀東水泥配制的混凝土坍落度僅為 185mm，低于海螺、華新和洋坊，高于南方：從混凝土的初始坍落度和 lh 坍落度來(lái)看，華新 P·O42.5R 配制的混凝土初始坍落度和 lh 坍落度分別為220mm 和 230mm，優(yōu)于海螺、洋坊。這與凈漿漿體粘度結(jié)果表現(xiàn)出了一致的規(guī)律，冀東水泥的凈漿初始粘度較大，高于其它幾種普硅水泥。由此可見，聚羧酸減水劑與不同水泥的凈漿流動(dòng)試驗(yàn)和混凝土性能試驗(yàn)基本一致，凈漿粘度值小的水泥，混凝土擴(kuò)展度一般較大，坍落度值可能會(huì)高?；炷猎牧现蟹勖夯?、礦粉、砂和石子對(duì)聚羧酸系減水劑都是物理吸附，而水泥則是化學(xué)吸附。

表 2 CR-P101 聚羧酸減水劑與不同水泥配制的混凝土性能

3 總結(jié)

采用 APEG 單體及 AMPS、順酐單羥丙酯等合成了一種聚羧酸減水劑，利用紅外光譜法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并建立了粘度和漿體摻量的關(guān)系。APEG 系聚羧酸減水劑與傳統(tǒng)的聚羧酸減水劑相比，成本較低，在混凝土應(yīng)用過程中也表現(xiàn)出較好的相容性，在相同摻量條件下，具有優(yōu)越的分散性能和保持性能。通過試驗(yàn)研究了單體比例、氧化還原體系及氧化劑用量對(duì)減水劑分散性及保塑性的影響，確立了最佳工藝。

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［通訊地址］北京市順義區(qū)順平路沙嶺段甲 2 號(hào)（101309）

The new study of APEG series of polycarboxylate superplasticizer

Wang Huqun, Yang Xiaofeng, Xiong Weifeng
(Technology Center, Beijing Oriental YuHong Waterproof Technology Co., Ltd.,Beijing 101309, China)

APEG series polycarboxylate superplasticizer was direct synthesized under the evocating of ammonium persulfate agent by starting with APEG, AMPS, acrylic acid, maleic anhydride in this paper. The molecular structure was characterized by infrared spectra, the inf l uencing factors of the performance of water reducing agent in the synthesis were discussed and the optimum conditions were obtained, the polycarboxylate superplasticizer dispersion and the plastic rule was obtained through the performance testing of concrete.

APEG; polycarboxylic acid superplasticizer; synthesis process; concrete

王虎群（1983—），碩士，工程師。