一種新型脂肪族高效減水劑的合成及應用

武恩瑞

（山西山大合盛新材料股份有限公司，山西太原030006）

高效減水劑是一種可以在混凝土同等坍落度下大量減少拌合水量的外加劑，能改善混凝土的流動性，增加水泥顆粒在漿料中的分散度。20世紀60年代，三聚氰胺磺酸鹽（PMS）和聚萘磺酸鹽（BNS）高效減水劑的出現(xiàn)，開啟了混凝土技術(shù)的新時代，同時也使高效減水劑的研究成為行業(yè)熱點。此后，脂肪族減水劑（AFS）、聚羧酸鹽高性能減水劑（PCE）、縮聚物類減水劑（SPF）等相繼誕生并投入使用。然而，業(yè)內(nèi)在使用過程中積累的大量經(jīng)驗表明，BNS坍落度保留值短，且在低水灰比（＜0.35）時，效果不明顯；PMS與之類似；AFS較前兩者在低水灰比時性能較好；SPF則較AFS有更好的坍落度損失行為；而PCE在較低劑量時，較前述縮聚物有效性和坍落度保留值更好，但其對不同的水泥組合物較敏感，且會與粘土發(fā)生強烈的相互作用，還會產(chǎn)生過多泡沫，需加入消泡劑進行控制。鑒于各種高效減水劑的優(yōu)缺點，在工作實踐中采用環(huán)己酮、甲醛和亞硫酸鹽探索合成了一種新型脂肪族減水劑（CFS），并研究了其相關(guān)性能，旨在為業(yè)界人士提供參考。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Waters l515型凝膠滲透色譜儀；SZCL-2數(shù)顯智能控溫儀；JY l0001電子天平；PTHW型電熱套；NJ-160A水泥凈漿攪拌機；DW-2型電動攪拌器。

環(huán)己酮，分析純，99.5%；甲醛，分析純，30%；亞硫酸鈉，分析純，97.0%；甲酸，分析純，88.0%；氫氧化鈉，分析純。

1.2 實驗原理

在強堿性條件下，環(huán)己酮與甲醛反應，在α位置的酮官能團形成羥甲基。隨后，亞硫酸鹽與羥甲基反應，形成α，α'-二羥甲基，α'-磺甲基環(huán)己酮，然后縮合成線性縮聚物。凈反應和分子中心結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CFS高效減水劑的合成反應式

1.3 合成方法

在1L的圓底燒瓶上安裝回流冷凝器與溫度計，室溫下將16g亞硫酸鈉溶解在75mL 30%的甲醛水溶液中，移入圓底燒瓶中，均勻快速攪拌狀態(tài)下，加入13.3mL 30%的氫氧化鈉水溶液，并將該溶液的PH值調(diào)節(jié)至13.5。將該體系溶液預熱至約35℃后，冷卻至室溫，迅速使亞硫酸鈉溶解完全，然后快速加入50g環(huán)己酮，約1min后，乳液會變成透明溶液，然后成為黃色混濁溶液。開始加熱并煮沸，煮沸后，溶液再次變?yōu)橥该?，同時顏色從黃色變?yōu)樽厣艺扯仍黾印Ｊ褂秒姛崽祝ㄕ{(diào)節(jié)到120℃）在恒速攪拌下，將該溶液加熱回流約3h，然后將所制得的CFS水溶液冷卻至室溫，并加入甲酸，調(diào)節(jié)PH值至10.3。

1.4 分析方法

1.4.1 勻質(zhì)性檢測

參照GB/T 8077-2012測試其含固量、密度、氯離子含量及PH值。

1.4.2 凝膠色譜表征

以0.1mol/L硝酸鈉溶液為流動相，取1mL CFS樣品，加入6.0mL、0.10mol/L硝酸鈉溶液溶解后，采用凝膠色譜檢測，由凝膠色譜圖中數(shù)據(jù)計算產(chǎn)物近似轉(zhuǎn)化率。

1.4.3 混凝土工作性能測試

參照GB/T 8077-2012中的水泥凈漿流動度測試方法和水泥膠砂減水率測試方法，對水泥凈漿流動度和水泥砂漿減水率進行測試。

參照GB8076-2008中的高效減水劑減水率測試方法，分別測試市售聚萘磺酸鹽減水劑太原三元（SY-BNS）、太原華凱（HK-BNS）和本研究中合成的CFS高效減水劑的混凝土減水性能。測試時基準混凝土和受檢混凝土的水泥用量為330kg/m3，砂率為40%，混凝土的坍落度控制在（80±10）mm，外加劑摻量為膠凝材料的1.0%，使用含泥量較高的河砂，含泥量為1.7%。

2 結(jié)果與討論

2.1 勻質(zhì)性檢測數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試，合成的新型CFS高效減水劑含固量為49.52%，密度為1.094 g/cm3，氯離子含量為0.0198%，PH值為10.3，顏色為紅棕色。

2.2 凝膠色譜表征分析

圖2 CFS高效減水劑的凝膠滲透色譜圖

如圖2所示，出峰時間為35.083min至40.436min的保留峰為合成的不同聚合度的CFS減水劑，積分得出轉(zhuǎn)化率約為35.32%；出峰時間為44.337min、49.797min、64.789min 的保留峰分別為剩余的亞硫酸鈉、環(huán)已酮及甲醛。

2.3 混凝土工作性能測試結(jié)果

2.3.1 水泥凈漿流動度測試

在測試中，水泥凈漿在水灰比為0.29時，達到18±0.5cm作為參考。如圖3（a）所示，CFS的水泥分散性較好，在用量超過0.3%時，凈漿流動度增大明顯，當用量達到0.35%時，凈漿流動度趨于穩(wěn)定。

圖3 CFS高效減水劑的混凝土工作性能圖示

2.3.2 減水性能測試

在測試中，取3個試樣測定數(shù)據(jù)平均值為最終減水率結(jié)果。如圖3（b）所示，CFS的減水率隨摻量的增加先增加后略微下降。摻量為1.0%時，減水效果達到最佳，減水率為35%，繼續(xù)增加摻量，減水率沒有明顯改變反而出現(xiàn)泌水現(xiàn)象。

2.3.3 混凝土減水性能比較測試

本研究中，對太原三元（SY-BNS）、太原華凱（HK-BNS）和CFS高效減水劑的混凝土減水性能測試結(jié)果如表1所示，使用含泥量較高的河砂時，CFS高效減水劑的混凝土減水性能優(yōu)于市售的聚萘磺酸鹽減水劑。

表1 含粘土較高的混凝土減水性能對比

3 結(jié)語

結(jié)果證實，新型脂肪族系高效減水劑可以用簡單的方法制備成50%的含固溶液，在低水灰比下有較高的減水性能。相比萘磺酸系高效減水劑，在使用含泥量較高的河砂進行混凝土性能測試時有較高的減水性能。