一種磷酸酯類抗泥保坍聚羧酸減水劑的合成及應(yīng)用

郭鵬飛，余燕華，黃永毅

（廈門路橋翔通建材科技有限公司，福建 廈門 361101）

0 前言

隨著社會對環(huán)境、效率等要求的提高，對混凝土的性能提出了更高的要求[1]。在混凝土的組成中砂的分量占比較大，近年來，隨著各種混凝土工程的增加，砂石的需求也越來越大，優(yōu)質(zhì)砂石原料越來越少，且因為環(huán)保的高要求、高標(biāo)準(zhǔn)，使得天然砂等被限制開采[2]。因此，催生出一批抗泥減水劑[3]、抗泥犧牲劑[4]等混凝土外加劑，但這類產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的規(guī)格、性能要求，質(zhì)量良莠不齊且數(shù)量眾多。當(dāng)這類產(chǎn)品與減水劑配合使用時常會引起混凝土凝結(jié)時間過長、性能不穩(wěn)定等問題，而且一般犧牲劑的成本較高，不利于大面積使用[5]。

本研究通過分子設(shè)計，在聚羧酸減水劑分子中引入抗泥單體如磷酸酯、氯化銨等，通過抗泥單體的強吸附作用，在減水劑發(fā)揮減水作用時，優(yōu)先對泥土分子進(jìn)行吸附，以減少減水基團的損失，起到抗泥保坍效果。通過凈漿、砂漿和混凝土試驗，研究其抗泥效果，同時與市售抗泥保坍型聚羧酸減水劑的性能進(jìn)行對比，以驗證其抗泥保坍效果。

1 試驗

1.1 原材料

（1）合成原材料

丙烯酸（AA）：聚醚大單體（HPEG，Mn=2400）；抗泥單體：二甲基二烯丙基氯化銨（KBE）、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS，KBA）、甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨（KBJ）和自制液體磷酸酯（KBL）；巰基乙醇、過硫酸銨、雙氧水（27.5%）、丙烯酸羥乙酯、30%氫氧化鈉溶液、甲苯、五氧化二磷、偶氮二異丁氰：以上原料均為工業(yè)級；維生素C（Vc）：食品級。

（2）試驗材料

水泥：海螺P·O42.5水泥，其主要化學(xué)成分如表1所示，物理性能如表2所示；鈉基蒙脫土：密度1.56 g/cm3，蒙脫石含量≥85%，濰坊鴻翔膨潤土廠；標(biāo)準(zhǔn)砂：廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；機制砂、河砂：粒徑0.35～0.5 mm；石：粒徑5～25 mm，廈門路橋翔通股份有限公司翔安分公司；普通聚羧酸減水劑：LQ-908M，固含量50%，減水率18%，廈門路橋翔通建材科技有限公司；保坍型聚羧酸減水劑：LQ-903B，固含量40%，廈門路橋翔通建材科技有限公司；抗泥型聚羧酸減水劑，KNS，固含量40%，武漢奧克技術(shù)有限公司。

表1 水泥的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的基本物理性能

1.2 抗泥單體磷酸酯（KBL）的制備

取一定量的丙烯酸羥乙酯加入到四口燒瓶中，加入甲苯為帶水劑，滴加一定量的五氧化二磷水溶液，以偶氮二異丁氰為催化劑，在130℃下進(jìn)行酯化反應(yīng)，反應(yīng)12～48 h，攪拌降溫至室溫，再減壓蒸餾，得到抗泥單體磷酸酯KBL。

1.3 抗泥保坍型聚羧酸減水劑的合成

在四口燒瓶中加入底料HPEG和水，攪拌均勻，于常溫滴加A液和B液，以丙烯酸、丙烯酸羥乙酯、抗泥單體的混合溶液為A液，以巰基乙醇、Vc的混合水溶液為B液，A液滴加時間2 h，B液滴加時間2.5 h，滴加完畢后熟化1 h，攪拌反應(yīng)得到共聚產(chǎn)物，再用堿液中和pH值至弱酸性，即得到抗泥保坍減水劑（固含量40%）。

1.4 性能測試方法

（1）水泥凈漿流動度：根據(jù)GB/T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》進(jìn)行測試。

（2）水泥膠砂流動度、強度按照GB/T 17671—1999《普通水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進(jìn)行測試，分析抗泥保坍減水劑對膠砂力學(xué)性能的影響。

（3）混凝土工作性能和力學(xué)性能：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》及GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同抗泥單體對合成減水劑抗泥保坍性能的影響

以摻采用不同抗泥單體合成減水劑的水泥凈漿經(jīng)時流動度，評價不同抗泥單體在不同含泥量下的保坍性能，含泥量以鈉基蒙脫土摻量占水泥質(zhì)量百分比計，摻采用不同抗泥單體合成減水劑在不同含泥量時的凈漿流動度如表3所示。

表3 摻不同抗泥單體合成減水劑水泥凈漿在不同含泥量下的流動度

由表3可見：在不同含泥量下，摻合成減水劑KBL（磷酸酯）、KBE（二甲基二烯丙基氯化銨）、KBA（AMPS）、KBJ（甲基丙烯酰氧基乙基三甲基氯化銨）、KNS和普通聚羧酸保坍減水劑LQ-903B的凈漿流動度各不相同。其中以摻KBL、KNS和LQ-903B的水泥凈漿初始流動度較大，0.5 h流動度還有所增大，這是由于減水劑中的丙烯酸羥乙酯在水化初期保留水分子，在0.5 h后緩慢釋放，使得凈漿流動度有所增大；而其他減水劑沒有，說明這些抗泥單體對丙烯酸羥乙酯有負(fù)面作用，使得保坍作用有所減弱，凈漿流動度減小。當(dāng)含泥量較高時（5%），摻KBL和LQ-903B的凈漿在0.5 h時仍能保持較好的流動性，而摻KBJ、KBA、KBE的凈漿0.5 h流動度均在130 mm以下，流動性差，經(jīng)時流動度損失較大。表明KBL具有較好的抗泥性。同時摻KBL和LQ-903B的0.5 h凈漿流動度均大于摻市售抗泥型聚羧酸減水劑KNS的，說明自制的磷酸類抗泥保坍減水劑具有優(yōu)異的抗泥保坍性。

2.2 不同抗泥單體合成減水劑對砂漿性能的影響

取12 g普通聚羧酸減水劑LQ-908M加10 g抗泥保坍減水劑加水稀釋至100 g（固含量10%），攪拌均勻備用，摻量為水泥質(zhì)量的1.2%，砂的含泥量為3%（鈉基蒙脫土占標(biāo)準(zhǔn)砂的質(zhì)量百分比）。通過砂漿流動度和強度評價普通聚羧酸減水劑與抗泥保坍型聚羧酸減水劑的相容穩(wěn)定性，測試不同抗泥保坍減水劑與普通聚羧酸減水劑LQ-908M復(fù)配時對水泥砂漿流動性和強度的影響，M10砂漿的配合比如表4所示，測試結(jié)果如表5所示。

表4 M10砂漿配合比 g

表5 不同抗泥單體合成抗泥保坍減水劑與LQ-908M復(fù)配對砂漿性能的影響

由表5可見：

（1）在相同含泥量下，摻合成減水劑KBL和LQ-903B的砂漿流動性較好，1 h流動度損失也較小，說明這2種抗泥保坍型聚羧酸減水劑與普通聚羧酸減水劑LQ-908M有較好的相容性。

（2）在砂漿養(yǎng)護早期（7 d），砂漿的抗壓、抗折強度大小排序為：LQ-903B>KBL>KNS>KBE>KBA>KBJ>基準(zhǔn)砂漿，說明減水劑對砂漿的抗壓、抗折強度有一定影響，其中以LQ-903B、KBL和KNS對砂漿的抗壓、抗折強度影響較大；隨著齡期的延長（14 d），砂漿的抗壓強度有所增長，砂漿的14 d抗壓、抗折強度大小排序為：KBL>LQ-903B>KNS>KBE>KBA>KBJ>基準(zhǔn)砂漿，說明合成的磷酸酯類抗泥保坍聚羧酸減水劑對砂漿后期強度有增強作用，與普通聚羧酸減水劑有較好的相容性。

2.3 混凝土應(yīng)用試驗

優(yōu)選性能較好的抗泥保坍聚羧酸減水劑KBL、KNS、LQ-903B進(jìn)行不同含泥量下的混凝土應(yīng)用性能對比試驗，測試抗泥保坍減水劑對混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響。取60 g聚羧酸減水劑LQ-908M加50 g抗泥保坍減水劑加水稀釋至500 g（固含量10%），C30混凝土的基礎(chǔ)配合比如表6所示。含泥量按鈉基蒙脫土占機制砂的質(zhì)量百分比計，混凝土性能測試結(jié)果如表7所示。

表6 C30混凝土的基礎(chǔ)配合比 kg/m3

表7 混凝土性能測試結(jié)果

由表7可見：

（1）摻抗泥保坍聚羧酸減水劑的混凝土試驗結(jié)果與水泥砂漿試驗結(jié)果基本吻合。隨著含泥量的增加，混凝土的坍落度和擴展度均隨之減小，說明泥土對混凝土的工作性能影響較大；在高含泥量下，混凝土的抗壓強度明顯降低。

（2）摻合成磷酸酯類聚羧酸減水劑KBL的混凝土在含泥量為3%～10%范圍內(nèi)均表現(xiàn)出良好的流動性，其工作性能優(yōu)于摻LQ-903B、KNS的混凝土，且其混凝土強度也高于摻LQ-903B、KNS的混凝土。

3 結(jié)論

（1）在自由基反應(yīng)過程中，通過引入不同抗泥單體合成4種抗泥保坍型減水劑。通過不同抗泥單體對比合成試驗表明，采用自制含磷酸酯抗泥單體時合成的聚羧酸減水劑具有更佳的抗泥保坍性能。

（2）通過在不同含泥量下的凈漿、砂漿和混凝土試驗，將合成減水劑與市售保坍型聚羧酸減水劑的性能進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，所合成的磷酸酯類抗泥保坍聚羧酸減水劑具有優(yōu)異的抗泥、保坍效果，且對混凝土有一定的增強作用，可在一定程度上降低高含泥量帶來的負(fù)面影響。