一種聚醚型減水劑的制備及性能研究*

郝利煒，耿春雷

（北京建筑材料科學研究總院，固廢資源化利用與節(jié)能建材國家重點實驗室（籌）, 北京100041）

1 前言

近幾年，隨著我國建筑的增多以及高鐵的快速發(fā)展，聚羧酸減水劑以其減水率高、混凝土保持性好等突出優(yōu)點，已在鐵路、交通等領域得到了廣泛的應用。國內市場上聚羧酸系減水劑基本上分為兩大類：一類是醚型，以馬來酸酐與烯丙基聚乙二醇為主要單元的共聚物；一類是酯型，以（甲基）丙烯酸與甲氧基聚乙二醇 （甲基）丙烯酸酯為主要結構單元的共聚物[1]。

目前市場上減水劑的制備原料品種多種多樣，主要有MPEG 系列、APEG 系列、以及新研制出的改性聚醚TPEG 系列。聚醚單體的不飽和基團如下圖1 所示。

圖1 聚醚單體的不飽和基團

單體的不飽和基團在進行自由基聚合的時候，其聚合活性對聚羧酸減水劑的制備尤為重要。通過對比以上幾種單體，本實驗優(yōu)選了新研制出的改性聚醚系列單體——已戊二烯基聚醚作為反應單體，設計研制出了一種聚醚保坍型減水劑。本文通過水泥凈漿及混凝土等試驗方法對其性能進行了評價。試驗結果表明，自制減水劑具有較好的水泥適應性及保坍性能。該減水劑的制備工藝穩(wěn)定性強、操作簡單、環(huán)保，具有工業(yè)可行性。

2 試驗部分

2.1 合成試驗

2.1.1 合成原料及儀器

原料：異戊二烯基聚醚、丙烯酸、丙烯酸乙酯、引發(fā)劑和鏈轉移劑、氫氧化鈉，以上原材料均為工業(yè)級；

實驗設備：1000ml 四口燒瓶，溫度計，攪拌器，100-L蠕動泵。

2.1.2 聚合方法

先將一定的聚醚、鏈轉移劑與蒸餾水加入到燒瓶中，開動攪拌升溫到50℃，使物料充分溶解，再升溫到反應溫度之間，同時用蠕動泵滴加預先配好的引發(fā)劑溶液及丙烯酸與丙烯酸乙酯的混合液，滴加3 ～5 h，滴加完畢后，再保溫反應2～3 h，用30%的氫氧化鈉溶液中和反應體系pH 值至6～7。

2.2 性能評價試驗

2.2.1 原料

(1)水泥：淺野水泥P·O42.5，琉璃河水泥P·O 42.5，冀東水泥P·O42.5，海螺水泥P·O 42.5；

(2)減水劑：自制減水劑PC-1，自制減水劑PC-2，國內某廠家PC-3；

(3)穩(wěn)定劑：自制，濃度為40%；

(4)粉煤灰：德州Ⅰ級粉煤灰；

(5)礦粉：唐山建龍超細礦粉；

(6)砂子：涿州中砂，細度模數(shù)2.6；

(7)石子：來自涿州，5～25mm 連續(xù)級配碎石。

2.2.2 檢測方法

水泥凈漿流動度方法參照GB/T8077-2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》，混凝土試驗參照JC473-2001《混凝土泵送劑》、GB50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》等標準進行。

3 結果與討論

3.1 合成試驗

3.1.1 反應時間對減水劑性能的影響

為使共聚反應充分的進行，適當?shù)匮娱L反應的時間有利于提高單體的轉化率，同時有利于小分子的鏈狀聚合物的增長，從而有利于提高共聚物減水劑的分散性[2]。根據(jù)前期的試驗基礎，在反應物的配比、工藝不變的前提下，溫度初步定為75 ℃，滴加時間設定為3h，調整保溫時間。在上述條件下，考察了整個反應時間對減水劑分散性能的影響，其結果如圖2 所示。測試參照GB/T8077-2000《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行，原材料采用琉璃河水泥P·O 42.5，水灰比0.29，減水劑摻量0.23%。

圖2 反應時間對減水劑分散性能的影響

由圖2 可見，凈漿流動度隨反應時間的增加，先增加后減少。 當聚合時間低于4 h 時，減水劑的分散性能較差。 這是因為反應時間短，反應轉化率低，造成合成減水劑的有效成分低，故分散性能較差；隨著反應時間的增加，反應轉化率變高，當反應時間為7～8 h 時，單體幾乎完全反應，分散性能達到最佳，再延長反應時間，減水劑的分散性能變化不大，故聚合反應時間宜控制在7～8 h。

3.1.2 反應溫度對減水劑性能的影響

自由基聚合對溫度很敏感。溫度過低，引發(fā)劑半衰期相對較長，引發(fā)劑引發(fā)效率低，未分解的引發(fā)劑殘留在體系中，造成溶液中自由基濃度低，反應速度慢，轉化率低;溫度過高，反應速度快，極易暴聚，且容易造成接枝物所含支鏈較多，導致接枝物的相對分子質量降低，分散性能下降[3，4]。因此選擇一個適當?shù)臏囟扔欣诳刂品磻俣龋岣邷p水劑性能。

在反應物的配比，工藝不變的前提下，反應時間設定為8h，調整反應溫度，得到了不同反應溫度對減水劑性能的影響曲線，結果見圖3。

圖3 不同反應溫度對減水劑性能的影響

由圖3 看出，隨著反應溫度的升高，合成減水劑的分散性能也在不斷的提高，當溫度達到85℃，減水劑表現(xiàn)出最好的分散效果，溫度再升高，減水劑的性能有所下降，出現(xiàn)了拐點，因此設定合成溫度為85±2℃左右。

3.2 性能評價試驗

3.2.1 水泥適應性實驗

表1 不同減水劑對四種水泥的適應性試驗

由以上表中的試驗數(shù)據(jù)可以看出，三種減水劑對琉璃河低堿水泥1h 均具有較好的保持性能；對于淺野和冀東水泥PC-1/PC-3 的保持能力好于PC-2，對于海螺水泥，三種減水劑的初始分散均較小。

在實際施工中，水泥與減水劑不相容的因素較多，可能是水泥的因素，也可能是減水劑的因素，或者兩者都有，或者是使用方法的原因等。

水泥與減水劑適應性的因素主要有以下幾個方面：水泥熟料礦物組成、水泥細度、水泥中石膏的形態(tài)、水泥顆粒級配、水泥顆粒形狀、水泥的新鮮程度及有無摻加助磨劑等[5]。

解決減水劑與水泥適應性的方法，國內有報道可以通過改變外加劑摻入時間及摻加方法來實現(xiàn)。因此在不更換水泥的情況下，筆者通過改變加水的方式（分2 次加入，開始攪拌時加入50%的減水劑與水的混合溶液，當開始快速攪拌時，再將剩余的混合液加入），得到了表2 所示的數(shù)據(jù)。

表2 水泥凈漿流動度結果

從表2 的數(shù)據(jù)可以看出，通過改變加水的方式，三種減水劑流動度均得到了不同程度的提高，這可能與聚羧酸減水劑分子結構及吸附機理有關，對于這方面的理論研究工作，由于實際應用不方便導致國內尚未大量開展。加之水泥種類多，礦化成份與形態(tài)復雜，很難用一種簡易的辦法解決所有減水劑與水泥的適應性問題。

通過以上的試驗，筆者認為評價減水劑水泥適用性不能單獨憑借水泥凈漿一個指標，應綜合采用水泥凈漿流動度試驗和減水劑的吸附量、水泥漿體的Zeta 電位測試相結合的方法[6]，能夠較好評價水泥與減水劑之間的適應性。

3.2.2 混凝土試驗

建筑工程中用于橋梁構件等C50 以上高強混凝土，常使用水泥摻粉煤灰或純普通硅酸鹽水泥；C80 以上的混凝土常采用水泥、礦渣加硅灰；C30 ～C50 混凝土用量最大，常用普通硅酸鹽水泥、粉煤灰和礦渣。所以在試驗中采用了C30 混凝土作為研究的對象。

同時，影響混凝土和易性的因素很多，如單位用水量、水泥品種、骨料的性質、砂率等，此外在混凝土試驗中，同樣存在減水劑與骨料、水泥之間的適應性問題。所以單一的調整減水劑的性能往往不能解決所有的問題。

考慮到以上原因，本試驗采用了調整C30 混凝土配合比的方案，其結果如表3 和表4 所示。

表3 混凝土C30 配合比 kg/m3

從表3 和表4 試驗數(shù)據(jù)可以看出，文章中通過調整配合比，混凝土拌合物的出機泌水現(xiàn)象得到了改善（2#，3#），但后期的保坍性能受到了影響；在4#試驗中通過摻加穩(wěn)定劑的方法，調整拌合物的狀態(tài)，使其達到施工要求，從而提高了自制減水劑的工作性能。穩(wěn)定劑為試驗室自制并具有疏型結構的高分子聚合物，當減水劑和穩(wěn)定劑一同加入到混凝土中，穩(wěn)定劑能夠優(yōu)先被吸附到水泥顆粒上，有效防止了減水劑的過量吸附現(xiàn)象，從而保證了聚羧酸減水劑充分發(fā)揮其高分散的作用。國內關于穩(wěn)定劑（也稱為犧牲劑）的制備及機理分析研究剛剛起步，相關的文獻報道較少，需進一步的研究探索。

表4 新拌混凝土性能

4 結論

文章通過減水劑合成試驗和性能評價試驗得出以下結論：

（1）采用新型聚醚原料合成的保坍型聚醚型，合成溫度為85±2℃。

（2）該減水劑的制備工藝穩(wěn)定性強，操作簡單，環(huán)保，具有工業(yè)可行性。

（3）通過水泥凈漿流動度法及混凝土試驗測試表明，自制減水劑具有較好的水泥適應性及保坍性能。

[1]朱俊林，石小斌,等.對國內外聚羧酸減水劑研究進展的探討[J].商品混凝土,2006(4):5-7.

[2]余鋮.采用烯丙醇聚氧乙烯醚合成聚羧酸系高效減水劑及其性能研究[A].重慶大學學位論文[D],2008.5.

[3]鄭立新.聚醚類聚羧酸減水劑合成工藝及性能研究[J].新型建筑材料 ,2008(5):48-50.

[4]姜玉，龐浩，廖兵.聚醚側鏈聚羧酸類減水劑的結構及應用性能[J].化工進展,2008,27(5):733-735.

[5]王濤.高性能混凝土中聚羧酸外加劑相適應性探討[J].山西建筑，2009.35(31)：164-166.

[6]賈祥道.水泥主要特性對水泥與減水劑適應性影響的研究[A].中國建筑材料科學研究院碩士學位論文[D],2002,6.