一種新型低泌水型聚羧酸保坍母液的制備及性能研究

李英祥

（科之杰新材料集團(tuán)有限公司）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，我國對商品混凝土的質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格。目前在高性能混凝土中，聚羧酸系高性能減水劑的使用非常廣泛。聚羧酸系減水劑因其無毒、環(huán)保、減水率高等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，今后的應(yīng)用前景將更加廣泛[1]。然而，在聚羧酸減水劑的應(yīng)用過程中也遇到了許多工程難題，最為突出的就是因水泥、混合材、砂石含泥等質(zhì)量問題相應(yīng)帶來了摻聚羧酸高效減水劑的混凝土坍落度損失加快，影響了聚羧酸高效減水劑的應(yīng)用和發(fā)展。

從國內(nèi)市場來看，因聚羧酸保坍劑具有摻量低、保坍性好、與混凝土中各種摻合料相容性好等優(yōu)點(diǎn)，深受國內(nèi)混凝土行業(yè)青睞。由于混凝土拌合物中的水泥、粉煤灰、硅微粉等礦物摻合料會(huì)對聚羧酸減水劑大量吸附，使得減水劑在混凝土拌合物中的濃度偏低，同時(shí)由于混凝土砂、石等骨料會(huì)攜帶部分泥，造成混凝土坍落度損失過快[2]。因此，如何解決坍落度損失過大、過快等問題已成為當(dāng)下國內(nèi)砼行急需解決問題之一。本試驗(yàn)在原有聚羧酸保坍母液合成工藝的基礎(chǔ)上，使用甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、丙烯酸羥乙酯（HEA）為單體，雙氧水（HO）/還原劑（P1）為氧化還原體系，巰基乙醇（ME）為鏈轉(zhuǎn)移劑，聚合得到一種新型低泌水型聚羧酸保坍劑。混凝土試驗(yàn)結(jié)果表明，通過最佳工藝條件合成的新型低泌水型聚羧酸保坍劑與與保坍劑PCE-1（市面上同類聚羧酸保坍劑產(chǎn)品）相比，該產(chǎn)品泌水更少、和易性好、保坍性能更優(yōu)異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG），工業(yè)級；甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA），工業(yè)級；丙烯酸（AA），工業(yè)級；丙烯酸羥乙酯（HEA），工業(yè)級；雙氧水（HO），工業(yè)級；巰基乙醇（ME），工業(yè)級；還原劑（P1），工業(yè)級；30%氫氧化鈉溶液(NaOH)，工業(yè)級；PCE（市面上同類聚羧酸減水劑產(chǎn)品）；保坍劑PCE-1（市面上同類聚羧酸保坍劑產(chǎn)品）；助劑H；砂S：機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.7～3.1；石頭G：公稱粒徑5～20mm 連續(xù)級配碎石；水泥C：閩福P.O42.5。

1.2 合成工藝

向裝有攪拌器、溫度計(jì)的四口燒瓶中加入一定量的去離子水和甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG），攪拌，待聚醚溶解，溫度控制在15～40℃時(shí)，加入雙氧水（HO），均勻攪拌5min，再分別滴加巰基乙醇（ME）和還原劑（P1）的水溶液，滴加反應(yīng)2.5～3.5h，甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、丙烯酸羥乙酯（HEA）和丙烯酸的混合水溶液，滴加反應(yīng)2.5～3.5h，再保溫反應(yīng)1.5h，加入30%的NaOH溶液中和至pH=6～8，即得到新型低泌水型聚羧酸保坍劑PCE-3。

1.3 性能測試方法

⑴水泥凈漿流動(dòng)度

按照GB/T8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》執(zhí)行，將合成的新型低泌水型聚羧酸保坍劑PCE-3與聚羧酸減水母液PCE 按折固含量3:7 質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配，加水稀釋為10%外加劑溶液。測試外加劑對水泥凈漿流動(dòng)度的影響，外加劑折固摻量均為0.15%，水灰比為0.29，水泥采用潤豐P.O42.5 普通硅酸鹽水泥。

⑵混凝土性能

混凝土坍落度試驗(yàn)和擴(kuò)展度參照 GB/T 50080－2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，混凝土配合比為：m（水泥）:m（河砂）:m（石子）:m（水）為360:790:1060:175；力學(xué)性能參照GB/T8076－2008《混凝土外加劑》和GB/T 50081－2016《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 引發(fā)劑對產(chǎn)品性能的影響

采用自由基共聚反應(yīng)合成的聚羧酸減水劑，一般采用過氧化或氧化還原引發(fā)體系進(jìn)行合成。引發(fā)體系對聚合動(dòng)力學(xué)、共聚組成及分布具有決定性的作用[3]。結(jié)合其他項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，本文采用HO-P1 引發(fā)體系。固定其他試驗(yàn)條件的情況下，對比不同引發(fā)劑HO 用量對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)HO 用量在TPEG 的0.60%～0.70%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)HO 用量小于TPEG 的0.60%和大于0.70%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此HO 最佳用量為大單體的0.60%～0.70%。

圖1 HO 對產(chǎn)品性能的影響

在固定其他試驗(yàn)條件的情況下，考慮引發(fā)劑P1 對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)P1 用量在TPEG 的0.25%～0.35%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)P1 用量小于TPEG 的0.25%和大于0.35%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此P1 最佳用量為大單體的0.25%～0.35%。

圖2 P1 對產(chǎn)品性能的影響

2.2 ME 用量對產(chǎn)品性能的影響

自由聚合后產(chǎn)物的化學(xué)組合和分子結(jié)構(gòu)決定了其基本性能，而鏈轉(zhuǎn)移劑的用量是產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量和分子量的分布情況的重要因素之一。

在固定其他試驗(yàn)條件的情況下，考慮鏈轉(zhuǎn)移劑ME對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)ME 用量在TPEG 的0.30%～0.35%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)ME 用量小于TPEG 的0.30%和大于0.35%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此鏈轉(zhuǎn)移劑ME 最佳用量為大單體的0.30%～0.35%。

圖3 ME 用量對產(chǎn)品性能的影響

2.3 AA 用量對產(chǎn)品性能的影響

丙烯酸是重要的有機(jī)合成原料及合成樹脂單體，也是最簡單的不飽和羧酸。丙烯酸的加入可以增加主鏈的長度，同時(shí)在產(chǎn)品分子結(jié)構(gòu)中引入具有減水作用的羧酸根。

在固定其他試驗(yàn)條件的情況下，對比羧酸小單體AA 對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)AA 用量在TPEG 的5%～6%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)AA 用量小于TPEG 的5%和大于6%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此AA 最佳用量為大單體的5%～6%。

圖4 AA 用量對產(chǎn)品性能的影響

2.4 小單體用量對產(chǎn)品性能的影響

不飽和酯類小單體因取代基的不同，其活性及水解的難易程度也不同，從而表現(xiàn)為緩釋性能的差異性。

在固定其他試驗(yàn)條件的情況下，對比羧酸小單體HEMA 對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)HEMA 用量在TPEG 的6%～8%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)HEMA 用量小于TPEG 的6%和大于8%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此HEMA 最佳用量為大單體的6%～8%。

圖5 HEMA 用量對產(chǎn)品性能的影響

在固定其他試驗(yàn)條件的情況下，對比羧酸小單體HEA 對產(chǎn)品性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)HEA 用量在TPEG 的4%～5%時(shí)，凈漿流動(dòng)度最大，當(dāng)HEA 用量小于TPEG 的4%和大于5%時(shí)，產(chǎn)品凈漿流動(dòng)度下降，因此HEA 最佳用量為大單體的4%～5%。

圖6 HEA 用量對產(chǎn)品性能的影響

2.5 混凝土性能測試

按最佳合成條件（起始溫度為15～40℃，ME 用量為TPEG 總質(zhì)量的0.30%～0.35%，AA 用量為TPEG 總質(zhì)量的5%～6%，HEMA 用量為TPEG 總質(zhì)量的6%～8%，HEA 用量為TPEG 總質(zhì)量的4%～5%，HO 的總質(zhì)量為TPEG 總質(zhì)量的0.60%～0.70%，P1 用量為TPEG 總質(zhì)量的0.25%～0.35%，共聚反應(yīng)時(shí)間為2.5h～3.5h，保溫反應(yīng)1.5h）來考察兩種綜合型保坍劑對混凝土分散性能的影響，將合成的新型聚羧酸保坍劑PCE-3 和市面上同類聚羧酸保坍劑產(chǎn)品PCE-1，均與聚羧酸減水劑母液PCE 和助劑H復(fù)配,外加劑配方見表1，按照等摻量下進(jìn)行混凝土性能對比測試。混凝土配合比為：m（水泥）:m（河砂）:m（石子）:m（水）=360:790:1060:175，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 外加劑配方

從表2 可知：在同等用量的情況下，PCE-3 與PCE-1相比：混凝土初始坍落度及擴(kuò)展度相當(dāng)；1h 與2h 混凝土初始坍落度及擴(kuò)展度好于PCE-1，1h 不后置泌水，且混凝土和易性較好。由此可見，PCE-3 具有泌水少、保坍性能好、和易性較好等優(yōu)點(diǎn)，且3d、7d 和28d 的強(qiáng)度更高。

表2 混凝土測試結(jié)果

3 結(jié)論

采用甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）、丙烯酸羥乙酯（HEA）為主要材料，制得一種新型低泌水型聚羧酸保坍劑。通過試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

⑴新型低泌水型聚羧酸保坍劑的最佳工藝為：在起始溫度為15～40℃，ME 用量為TPEG 總質(zhì)量的0.30%～0.35%，AA 用量為TPEG 總質(zhì)量的5%～6%，HEMA 用量為TPEG 總質(zhì)量的6%～8%，HEA 用量為TPEG 總質(zhì)量的4%～5%，HO 的總質(zhì)量為TPEG 總質(zhì)量的0.60%～0.70%，P1 用量為TPEG 總質(zhì)量的0.25%～0.35%，共聚反應(yīng)時(shí)間為2.5h～3.5h，保溫反應(yīng)1.5h。

⑵采用最佳工藝合成的新型低泌水型聚羧酸保坍劑綜合性能優(yōu)異，具有泌水少、和易性好、保坍性能好等優(yōu)點(diǎn)。