微精选

本文选自《商品混凝土》杂志2023年第11期

姚良科，颜琼，陈湧忠，夏永忠，李瑶，张开达

［摘 要］本文以异戊烯基聚氧乙烯醚（TPEG）为起始原材料合成了一种聚羧酸保坍剂，通过单因素调整和正交试验，探究了不同投料量所合成的聚羧酸保坍剂对净浆以及混凝土性能的影响。结果表明：适当增加丙烯酸羟乙酯用量能够提高聚羧酸保坍剂在净浆中的保坍性能；通过对过氧化氢、还原剂
TP1351、丙烯酸以及丙烯酸羟乙酯用量的正交试验，得到保坍性能优异的聚羧酸保坍剂。

［关键词］聚羧酸减水剂；保坍；合成研究

0 引言

聚羧酸高效减水剂是继木质素磺化、三聚氰胺和萘系高效减水剂之后发展起来的新一代减水剂产品，其在水泥浆体中分散能力和稳定性均较传统减水剂更为优异，已逐渐成为混凝土施工过程中不可或缺的一部分。聚羧酸减水剂通常由主链和侧链构成，其分子结构易于调整，因而可以通过设计其结构来获得理想的材料特性，从而提高混凝土的综合性能。因聚羧酸减水剂能有效分散水泥颗粒，在低掺入量的情况下，不延长凝结时间并保持混凝土的坍落度，其在高速公路、高铁以及商品房建筑等工程项目中得到广泛应用^[1-3]。

聚羧酸保坍剂与普通聚羧酸减水剂相比，在混凝土坍落度保持性能上具有优势明显，是目前聚羧酸减水剂研究中热点。聚羧酸保坍剂在一定时间内对水泥颗粒的分散作用能持续、缓慢地进行，可与普通聚羧酸减水剂复配使用，拌合初期混凝土流动性由普通型聚羧酸提供，而后期流动性则由聚羧酸保坍剂提供，从而保持了混凝土一定时间内的流动性和工作性，对原材料的适应性也有所提高。其保坍性能主要和分子的成键形式有关，在聚羧酸减水剂中引入亲水基团，有助于提高聚羧酸减水剂的和易性和保坍性，像醚键、羟基、羧基、酯基等亲水基团和水泥有良好的结合能力，减水剂中引入酯基、酸酐、磷酸类基团等可使减水剂在水泥颗粒表面缓慢释放，从而起到保坍作用^[4-6]。

1 试验部分

1.1 试验原材料

合成原材料：异戊烯基聚氧乙烯醚（TPEG）、双氧水（H₂O₂）、丙烯酸（AA）、还原剂TP1351、巯基丙酸（MPA）、丙烯酸羟乙酯（HEA）、30%氢氧化钠溶液（NaOH）、（以上材料均为工业级，市售），自来水。

其他外加剂：S08F聚羧酸减水剂，市售；缓凝剂：葡萄糖酸钠，工业级，市售。

性能测试材料：水泥（P·O42.5）、砂（机制砂）、石1（粒径5～20mm）、石2（粒径16～31.5 mm），市售。

1.2 试验设备

蠕动泵（BT-100-01）、压力试验机（TYE-2000）、电子分析天平（FA1004B）、电子天平（UTP-313）、水泥胶砂搅拌机（JJ-5）、震击式标准振筛机（ZBSX-92A）、坍落度桶、游标卡尺，钢直尺。

1.3 性能测试方法

1.3.1 水泥净浆流动度

按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中的标准方法进行。净浆性能测试材料配比如表 1所示。

1.3.2 混凝土拌合物性能与混凝土的抗压强度比测试

混凝土拌合物性能按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行检测。混凝土的抗压强度比测试按照GB/T 8076—2008《混凝土外加剂》进行测试。混凝土性能测试配比表和外加剂配方表如表 2和表 3所示。

1.4 合成试验

聚羧酸保坍剂的合成原理如图1所示。

合成过程：在500mL烧瓶中加入200g TPEG和190g水，30℃下搅拌溶解。加入过氧化氢溶液（2.14g H₂O₂溶液+10g水）。滴加A液（0.22g TP1351+0.68g MPA+29.52g水）3h10min和B液（11.48g AA+ 30.88g HEA+ 6.12g水）3h。滴加完毕后，恒温反应1h，之后加入10.12g 30% NaOH溶液与4.54 g水的混合溶液进行中和，制备得到聚羧酸保坍剂PCE，记此投料量为PCE-0。

2 结果与讨论

2.1
HEA 用量对水泥净浆保坍性能的影响

控制其他原料用量，单独对HEA用量进行调整，探究HEA用量对聚羧酸保坍剂的影响。HEA用量与其1h净浆试验数据结果见表4和图2所示。

在相同条件下，随着丙烯酸羟乙酯用量的增加，1h净浆流动度先增加后减低，在丙烯酸羟乙酯用量为31.88时达到峰值。其原因可能是随着丙烯酸羟乙酯用量的提高，聚羧酸减水剂高分子链侧链中酯基占比增加，一定程度延长了聚羧酸减水剂在净浆中的皂化时长，提高了保坍性能；过高的丙烯酸羟乙酯用量导致羧酸根和聚氧乙烯占比降低，聚羧酸减水剂对水泥颗粒表面的吸附性降低，从而导致净浆流动性降低。可见，适当增加丙烯酸羟乙酯用量能提高聚羧酸保坍剂PCE在净浆中的保坍性能。

2.2 正交试验优化

影响共聚反应的因素有聚醚大单体、过氧化氢、还原剂TP1351、巯基丙酸、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯的用量等。综合考虑各因素，在确定合成方法、加料顺序的条件下，固定大单体的用量，设计一组4因素3水平的正交试验，将过氧化氢用量、还原剂TP1351用量、丙烯酸用量、丙烯酸羟乙酯用量设为考虑因素。因素水平设计如表 5所示，正交试验结果如表 6所示，极差分析如表7所示。四因素各水平对混凝土初始流动度和1h流动度的影响如图3和图4所示。

由表7可以看出，各因素对初始流动度影响由大到小均依次为：A＞C＞B＞D；对1h流动度即保坍性能影响由大到小均依次为：A＞C＞D＞B。即过氧化氢和丙烯酸用量对保坍剂的初始流动度及保坍性能起主要的影响作用。因此，从各因素对保坍剂的正交试验结果确定其最佳工艺配方为：A3B1C1D3，即过氧化氢、还原剂TP1351、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯用量分别为2.35g、0.20g、10.33g、33.97g。采用以上最佳工艺合成的聚羧酸保坍剂命名为PCE-5。

由图 3和图 4可以看出：（1）随着过氧化氢的用量的提高，混凝土的初始流动度和1h流动度都呈上升趋势，原因是引发剂在聚合反应中既起到引发聚合反应的作用，又可以调节产物的分子量^[12]。加入的引发剂一部分用来补偿体系中残留的阻聚剂，另外一部分才能用来引发单体聚合，故在引发剂浓度较低时补偿阻聚剂后的引发剂量过少而引起聚合反应不完全，导致聚合产物的分子量降低而不能起到分散水泥颗粒的作用，此时若增大引发剂用量可大大提高减水剂的分散性能。（2）随着丙烯酸用量的提高，混凝土的初始流动和1h流动度呈现下降趋势，原因是聚氧乙烯侧链在高分子侧链中占比降低，提供的空间位阻效应降低，因此对水泥的分散性变差，混凝土的流动性降低。

优化条件下PCE-5的3次重复试验结果如表 8所示。由表 8可以看出，在等掺量的条件下，PCE-0样品1h的流动度为305mm，基本失去流动度，保坍性能较差；PCE-5三次重复试验的1h流动度较大，基本与初始流动度相当，保坍性能较好，3d、7d抗压强度与PCE-0相近，说明该优化条件下，PCE的保坍性能得到了较大提高。

3 结论

通过本研究得到以下结果：

（1）在聚羧酸保坍剂PCE制备工艺中适量增加丙烯酸羟乙酯的用量，可以在一定程度上提高聚羧酸保坍剂剂在净浆中的保坍性能。

（2）当过氧化氢、还原剂TP1351、丙烯酸、丙烯酸羟乙酯用量分别为2.35g、0.20g、10.33g、33.97g时，聚羧酸保坍剂性能的最佳。

参考文献

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供稿人：姚良科，颜琼等

编辑员：李海亮

审核人：孙继成，宁夏

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