不同分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑協(xié)同作用機理

葉慈彪 查文彬 楊博 高夢兆 陳菁

摘 要：本文利用紅外光譜（IR）分析了兩種聚羧酸減水劑PCE1、PCE2的分子結(jié)構(gòu)，測定了吸附量、水泥凈漿流動性，并結(jié)合混凝土試驗，探討了兩種聚羧酸減水劑的協(xié)同作用機理。研究結(jié)果表明：對PCE1、PCE2分子結(jié)構(gòu)的研究說明含有酯基的PCE2吸附量明顯小于PCE1，對水泥漿體的初始分散能力較小，而分散保持性較好，呈現(xiàn)“緩釋”現(xiàn)象；可利用初始低分散性的緩釋型減水劑調(diào)整外加劑的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度損失，可為混凝土坍落度損失的調(diào)控提供了有效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：聚羧酸減水劑；吸附量；流動性；緩釋

引 言

從作用機理上來看，聚羧酸減水劑依靠短側(cè)鏈的靜電斥力及長側(cè)鏈的空間位阻效應(yīng)有效分散顆粒，分子結(jié)構(gòu)設(shè)計上自由度較大，可調(diào)整短長側(cè)鏈摩爾比、長側(cè)鏈長度、引入其他活性基團，從而實現(xiàn)聚羧酸減水劑性能的優(yōu)化[1～2]。本文選擇兩種不同分子結(jié)構(gòu)的減水劑，通過對分子結(jié)構(gòu)的表征、吸附量的測定、流動性的分析，研究了兩種分子結(jié)構(gòu)的聚羧酸減水劑的復(fù)合效應(yīng)，為聚羧酸減水劑性能優(yōu)化提供經(jīng)驗。

1 實 驗

1.1 原材料

（1）水泥

亞東P.O.42.5，化學(xué)成分見表1。

（2）減水劑

標準型聚羧酸減水劑PCE1，緩釋型聚羧酸減水劑PCE2，勻質(zhì)性指標見表2。

1.2 吸附量及ζ電位測定

水泥和泥土懸浮液的制備：分別稱取適量水泥1g，與一定濃度的聚羧酸減水劑溶液（20g）攪拌搖勻（攪拌時間分別為5min，30min，60min），取出適量液體倒入離心管中，采用離心機離心分離濾液（轉(zhuǎn)速3000r/min，4min），收集上清液后用一次性濾器取出5mL液體作為測試樣品。本實驗采用德國耶拿公司的總有機碳分析儀MultiN/C2100測試濾液中的有機碳含量?？傆袡C碳的計算：從聚羧酸減水劑摻加的總量中減去濾液中通過有機碳（扣除空白樣中的有機碳）得出的減水劑量即為減水劑被固體顆粒（水泥或泥土）的吸附量。

1.3 傅立葉紅外光譜結(jié)構(gòu)表征

采用德國Bruker公司生產(chǎn)的TENSOR37型紅外光譜儀。分別稱取適量減水劑在真空干燥箱中烘干，之后將樣品與KBr混合均勻后壓成小圓片。掃描頻率范圍為500～4000cm-1。分辨率為6cm-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚羧酸減水劑結(jié)構(gòu)表征

圖1給出了PCE1與PCE2的紅外光譜分析。從圖中可以看出，由圖1可知，在3420～3460cm-1附近有締合羥基的伸縮振動特征峰，在2820～2890cm-1附近出現(xiàn)小峰，這是甲基和亞甲基C-H的振動峰，在1100～1120cm-1處出現(xiàn)聚氧化乙烯基中的C-O-C的伸縮振動吸收峰，這些峰是這兩張圖譜中都出現(xiàn)的。而在PCE2紅外圖譜中，在1720～1740cm-1處存在酯鍵（C=O）的伸縮振動吸收峰。

2.2 吸附量

圖2給出了PCE吸附量隨減水劑濃度的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨PCE濃度的增加，吸附量增加；但比較PCE1與PCE2，PCE1的初始吸附量略高于PCE2，說明PCE1在水泥顆粒表面具有更強的吸附能力。圖3給出了PCE吸附量隨時間的變化規(guī)律（減水劑濃度為0.2g/L）。隨時間的增加，PCE1、PCE2的吸附量均增加；15min后，PCE2的吸附量與PCE1的吸附量相差不大，當吸附時間大于30min時，PCE2的吸附量已經(jīng)超過PCE1，說明隨時間的變化，PCE2的吸附量增加速度略大于PCE1[3]，而酯基在水泥水化的堿性環(huán)境中易水解，生成羧基（COO-），而羧基是影響聚羧酸減水劑吸附性能的主要官能團，決定減水劑吸附能力的大小[4]。因此，可調(diào)整PCE1與PCE2的相對用量來調(diào)整減水劑在顆粒表面的吸附進程，實現(xiàn)顆粒表面減水劑吸附的可調(diào)控性。

2.3 流動性的變化

表3給出了PCE1和PCE2協(xié)同作用對水泥凈漿流動度的影響規(guī)律。從圖中可以看出，對于PCE1，當摻量為0.18%時，初始流動度可達到290mm，而60min流動度降至200mm，120min流動度降至120mm，雖然PCE1具有較高的初始流動度，但流動性損失較大；對于PCE2，當摻量為0.18%時，幾乎沒有初始流動度，而60min流動度提高至250mm，120min流動度略微增加，為260mm，雖然PCE1的初始分散能力較差，但具有較好的緩釋效果；從PCE1與PCE2復(fù)摻的結(jié)果來看，隨PCE1摻量的增加，漿體初始流動性增加，流動性損失增大；而隨PCE2摻量的增加，漿體初始流動性增加，流動性損失降低。

以往的研究顯示，減水劑流動性與流動保持性的變化與吸附量的變化有關(guān)[5]。從吸附量的分析可以看出，PCE1具有較強的初始吸附能力，在水化初期有效分散水泥顆粒，但由于大量的消耗，液相中減水劑濃度較低，漿體體系的穩(wěn)定差，導(dǎo)致流動性損失增大。而PCE2具有較小的初始吸附量，避免初始礦物快速水化對減水劑的消耗，增加了液相中減水劑的含量，同時具有緩釋吸附的特點，隨時間延長，吸附量增加速度大于PCE1，因此可較好的維持1～2h漿體體系的穩(wěn)定性，表現(xiàn)出良好的分散性保持性。因此，可通過調(diào)整PCE1與PCE2的用量，可調(diào)控減水劑分子在水泥顆粒表面的吸附歷程，從而調(diào)控漿體流動性與流動保持性。

3 結(jié) 論

（1）對PCE1、PCE2分子結(jié)構(gòu)的研究顯示：含有酯基的PCE2吸附量明顯小于PCE1，對水泥漿體的初始分散能力較小，而分散保持性較好，呈現(xiàn)“緩釋”現(xiàn)象；

（2）可利用初始低分散性的緩釋型減水劑調(diào)整外加劑的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度損失，可為混凝土坍落度損失的調(diào)控提供了有效的技術(shù)手段。

參考文獻

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[5]李順，余其俊，韋江雄.聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)對水泥水化過程的影響[J].硅酸鹽學(xué)報，2012，（04）：613～619.