非離子型封端聚羧酸系減水劑對水泥漿體流變行為的影響

王芳，張力冉，潘佳，王棟民

（中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083）

0 引言

混凝土作為建筑業(yè)的最重要的材料，隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，逐漸商品化[1]。人們對混凝土的工作性和耐久性也提出了更高的要求。聚羧酸高性能減水劑因具有高減水、低摻量以及保持能力好等優(yōu)點而被認為混凝土材料改性的第三次飛躍[2]。它的研究和大規(guī)模應用推動了建筑施工技術(shù)的發(fā)展[3]。而混凝土的質(zhì)量很大程度上取決于新拌混凝土的流變性能[4]。因此，闡明水泥漿體與高效減水劑的流變行為之間的關(guān)系是十分重要的。減水劑具有改變觸變性的結(jié)構(gòu)變化和絮凝結(jié)構(gòu)的破壞的能力[5]。

聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)決定其性能[6]，其中聚羧酸減水劑側(cè)鏈封端方式?jīng)Q定著聚羧酸減水劑的分子在水泥顆粒以及水泥水化顆粒表面吸附方式及形態(tài)[7]，側(cè)鏈封端方式影響聚羧酸減水劑分子對水泥漿體的分散效果，所以研究聚羧酸減水劑側(cè)鏈封端方式的設(shè)計對聚羧酸減水劑性能優(yōu)化具有很重大意義。

通過對上述內(nèi)容的系統(tǒng)研究將有助于更好地理解聚羧酸系減水劑側(cè)鏈封端方式對聚羧酸分子對水泥漿體流變學性能的影響[8-11]，從而在理論上指導聚羧酸系減水劑的分子設(shè)計及性能優(yōu)化，為工程實踐中外加劑與膠凝材料體系相容性的研究提供理論依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 基準水泥

選用的水泥為符合相關(guān)國家標準的 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要化學組成見表 1，物理力學性能結(jié)果見表 2。

表 1 水泥的化學成分分析 %

表 2 水泥的物理力學性能

1.2 試驗方法

在配有水浴鍋、溫度計、攪拌器、蠕動泵和回流冷凝管的玻璃反應容器中，加入一定量去離子水，在攪拌的情況下加熱至一定溫度，分別滴加一定濃度的單體溶液和引發(fā)劑溶液，反應結(jié)束后，冷卻至 40℃以下，用30% 的 NaOH 溶液中和至 pH＝6～8，然后將所得的粘稠液體稀釋至 40%，備用。

采用 GPC-RI-DAWN EOS 十八角度激光散射聯(lián)用系統(tǒng)測試合成樣品的分子量。采用 NXS-11A 型旋轉(zhuǎn)粘度計測定不同轉(zhuǎn)速下水泥漿體的流變特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同側(cè)鏈封端方式的聚羧酸減水劑的分子設(shè)計

不同側(cè)鏈封端方式是以含有特殊官能團的不飽和單體引進聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)中，減水劑通過側(cè)鏈末端的特殊官能團吸附到水泥顆粒表面從而實現(xiàn)對水泥顆粒的分散。聚羧酸高性能減水劑分子中官能團通常含有羧酸基團 -COOH、羥基基團 -OH、磺酸基團 -SO3H 和聚氧乙烯鏈，還可以接上酰胺基 -NH2[12]等。聚羧酸分子設(shè)計時還要考慮極性基團和非極性基團的比例，使其性能最佳。

通過引入等摩爾量的含有不同官能團的活性不飽和單體，合成出一系列具有不同側(cè)鏈封端形式的 PC，并進行了一系列的宏觀和微觀的研究。以甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）、丙烯酸（AA）苯乙烯（St）、苯乙烯磺酸鈉（SSS）不飽和單體，設(shè)計合成了由不同側(cè)鏈封端不同的 PC，其結(jié)構(gòu)式見圖 1～3。

圖 1 PC1 化學結(jié)構(gòu)式

圖 2 PC2化學結(jié)構(gòu)式

圖 3 PC3化學結(jié)構(gòu)式

采用 GPC-RI-DAWN EOS 測定不同封端官能團 PC的分子量及其分布，測試結(jié)果如表 3 所示。由表 3 的試驗數(shù)據(jù)可以看出：對于離子以非離子封端的 PC，含非離子的 PC2 的分子量大、分子量分布最窄。

表 3 不同側(cè)鏈封端的PC的分子量

2.2 非離子封端的PC對新拌水泥漿體流變學性能的影響

討論以苯乙烯和苯乙烯磺酸鈉兩種非離子封端的PC 對新版水泥漿體流變性能的影響。

2.2.1 非離子封端的PC對新拌水泥漿體剪切應力和表觀粘度的影響

非離子封端的 PC1、PC2 和 PC3 對新拌水泥漿體剪切應力的影響試驗結(jié)果如表 4 及圖 4 和圖 5 所示。

2.2.2 非離子封端的PC對新拌水泥漿體觸變性的影響

對于該組中的回滯圈曲線進行擬合，得到擬合公式和所求的回滯圈面積如表 5 所示。從表 5 中數(shù)據(jù)可以看出，摻加以非離子基團封端的 PC2 的水泥漿體的回滯圈面積較小，說明向 PC 分子中適當引入非離子封端的基團可以改善水泥漿體的流變性能。

3 結(jié)論

通過測試摻入不同基團封端的聚羧酸減水劑的新拌水泥漿體的流變性能，以及水泥對減水劑的吸附量，表征聚羧酸減水劑的重均分子量及分子量分布。從多個角度研究分析不同側(cè)鏈基團封端的聚羧酸減水劑對水泥漿體的吸附分散性能，得如下結(jié)論：

表 4 非離子封端PC對新拌水泥漿體剪切應力的影響

（1）通過表征不同側(cè)鏈封端的 PC 分子量及其分布，可得出如下結(jié)論：含非離子的 PC2 的分子量大，分子量分布最窄。

（2）通過討論不同側(cè)鏈封端的 PC 的流變性能得出如下結(jié)論：側(cè)鏈以非離子官能團封端時，其回滯圈面積小于以陰離子封端的 PC1 與 PC3。證明了聚羧酸減水劑的側(cè)鏈以苯乙烯比以苯乙烯磺酸鈉基團封端的分散效果更佳。

表 5 摻加非離子和陰離子封端PC新拌水泥漿體的回滯圈面積（S）計算表

圖 4 PC1 對新拌水泥漿體剪切應力的影響

圖 5 PC2 和PC3 對新拌水泥漿體剪切應力的影響