超缓释型聚羧酸减水剂的制备及性能研究

陈文红，邓磊，蒋禹

（贵州科之杰新材料有限公司，贵州 龙里 551206）

0 引言

减水剂是混凝土外加剂中最主要的一类化学外加剂，其用途广、用量大，占整个混凝土外加剂的70%～80%[1]。其中小粒径粉末混凝土在搅拌过程中会吸附大量的减水剂，如水泥、粉煤灰、矿渣、砂石中的超细粉末等。而减水剂在混凝土中的含量高低、坍落度损失主要由这些“微不足道”的粉末引起。温度与时间是混凝土坍落度损失主要因素之一，尤其是夏季 30～40℃ 高温天气与长距离运输，使得混凝土坍落度损失过快，凝结时间缩短，严重情况下会导致混凝土3h 左右就开始初凝。

为了更好地解决混凝土坍落度损失过快、损失过大、凝结时间短、混凝土搅拌困难等问题，在前人研究的基础上，本研究采用改性聚醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、丙烯酸羟丙酯（HPA）、不饱和磷酸酯（HEMAP）为原材料进行反应，期望空间位阻较大的丙烯酸羟丙酯能改善混凝土的坍落度损失，不饱和磷酸酯的引入能够改善混凝土的凝结时间和保坍性，以便实际施工。

1 试验

1.1 试验原料及仪器

试验原料：改性聚醚（TPEG），工业级 ，石家庄市海森化工有限公司；过硫酸铵（AP），工业级，山东锐晟化工有限公司；丙烯酸（AA），工业级，上海昊化化工有限公司；丙烯酸羟丙酯（HPA），工业级，上海昊化化工有限公司；不饱和磷酸酯（2-羟乙基甲基丙烯酸酯磷酸酯（HEMAP），工业级，广州利厚贸易有限公司；巯基乙醇（ME），工业级，巴斯夫中国有限公司；还原剂（Vc），工业级，四川凌德化工有限公司，去离子水（W），自制。

缓释型聚羧酸母液 P-W，40%，德国某公司。

试验仪器：数显恒温水浴锅，HH-2 型，常州万合仪器值周有限公司；电动搅拌机，JJ-1 型，常州隆和仪器制造有限公司；蠕动泵，LabM6 型，保定申辰泵业有限公司；水泥净浆搅拌机，NJ-160B 型，河北晟兴仪器设备有限公司；单卧轴试试验搅拌机，HJW-60 型，沈阳巨林检验仪器制造有限公司；压力试验机，傅里叶变换红外光谱仪，Spectrum-100 型，美国 PE 公司；GPC 凝胶渗透色谱仪，2414 型，美国 Waters 公司。

1.2 样品的合成

向带有搅拌器的四口烧瓶中加入一定量的 TPEG、AP 和水，温度升高至 40～60℃ 条件下待 TPEG 溶解。然后滴加混合溶液 A：AA+HPA+HEMAP+W，滴加混合溶液 B：Vc+ME+W。A 滴加反应 3h，混合液 B 的滴加时间 3h10min左右，恒温反应 1h，得到无色透明40% 固含量的超缓释型聚羧酸减水剂 P-T。

1.3 水泥净浆的测定

水泥为红狮 P·O42.5，按照 GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》中测定水泥净浆流动度的方法进行测定。其中水灰比为 0.29，减水剂掺量为0.18%。

1.4 混凝土试验的测定

水泥选用红狮 P·O42.5 水泥；砂石材料为贵州本地产机制砂石，砂子主要选用白砂和青砂两种，细度模数为 2.7～3.1；石子为 5.5～22.5mm；混凝土外加剂掺量1.8%；参照 GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行 C30混凝土性能试验。混凝土配比见表 1。

表 1 混凝土试验配合比 kg/m3

2 试验结果与讨论

2.1 超缓释型聚羧酸减水剂对水泥净浆流动度的影响

超缓释型聚羧酸减水剂对水泥净浆流动度的影响试验结果见表 2。

表 2 超缓释型聚羧酸减水剂的水泥净浆对比试验

从表 2 中可看出，未掺聚羧酸减水剂的空白对照样，1h 流动度损失 21mm，且随着时间的延长，流动度逐渐减小；P-W 缓释型聚羧酸母液净浆流动度 1h 增大23mm，2h 后净浆流动度开始减小，3h 后净浆流动度减小 39mm；P-T 超缓释型聚羧酸母液净浆流动度 1～2h净浆流动度缓慢增大，3h 流动度达到 236mm。从结果可以看出 P-T 在水泥中减水率释放缓慢，2h 后净浆流动度继续增大；对比样 P-W 释放速度较快3h 后净浆损失幅度减小。

2.2 超缓释型聚羧酸减水剂的混凝土性能测试

为进一步验证两种缓释型减水剂 P-W 与 P-T 的缓释效果，将样品稀释成 12% 固含量，以 0.18% 掺量进行混凝土试验验证。

表 3 混凝土坍落度/扩展度测试结果 mm/mm

表 4 混凝土含气量、凝结时间、抗压强度测试结果

由表 3、4 可知：加入聚羧酸减水剂的混凝土试样其抗压强度、凝结时间、坍落度损失测试结果优于空白试样。从混凝土试验结果看，减水剂 P-W 在混凝土中减水率释放较快，1h 后混凝土扩展度增大 35mm，2.5h混凝土扩展度减小 135mm，4h 混凝土扩展度继续减小 35mm，无流动性；掺 P-T 的混凝土初始扩展度略大10mm，1h 后混凝土扩展度 555mm，直至 2.5h 混凝土扩展度增大到 560mm，4h 混凝土扩展度减小 20mm，但混凝土流动性较好；两者在混凝土中含气量均较小，仅为 1.3%；P-W 凝结时间较空白时间长，7h 初凝，9.5h 终凝，掺 P-T 的混凝土初凝时间较长，为 9h，13h终凝；两者 28d 混凝土抗压强度均在 36MPa 以上。从混凝土损失后状态可以看出，4h 后掺 P-T 的混凝土流动状态较好，极易泵送施工，能满足高层泵送或远距离运输的需求。

2.3 超缓释型聚羧酸减水剂结构表征

2.3.1 GPC 测定

GPC 测定结果见表 5。由表 5 可知，P-T 数均分子量 Mn 为 23838，较 P-W 数均分子量略高，多分散系数相对较小，分子量分布较窄。但 P-T 转化率较高，转化率为 93.08%。

表 5 减水剂 GPC 数据对比

2.3.2 FT-IR测定

FT-IR 测定如图 1 所示，3115～3655cm-1为 -OH 的不对称伸缩振动吸收峰，说明可能为 P-T 羧基 (-COOH)与羟基 (-OH) 伸缩振动吸收峰。2876cm-1、1452cm-1，1356cm-1出现的尖峰为甲基、亚甲基特征吸收峰，1729cm-1为酯基中 -C=O- 的伸缩振动吸收峰，也可能为不饱和磷酸酯上面的羰基缩振动峰。 在 1107cm-1处特征吸收峰是 P-T 中聚醚 -C-O-C- 伸缩振动吸收峰。P-T可能的结构式如图 2 所示。

图 1 P-T的红外光谱测试图

图 2 P-T 可能的结构图

3 结论

（1）本文使用改性聚醚（TPEG）、丙烯酸（AA）、丙烯酸羟丙酯（HPA）、不饱和磷酸酯（HEMAP）等为原材料合成的超缓释型聚羧酸减水剂P-T，该减水剂在混凝土中减水率释放慢、保坍性好、缓凝效果明显，能够有效减少缓凝助剂的使用。

（2）由于丙烯酸羟丙酯（HPA）有着较大的空间位阻效应，碱性条件下相对于丙烯酸羟乙酯水解缓慢，能缓慢释放出羧基（-COOH），从而具有良好的混凝土坍落度保持能力。不饱和磷酸酯（HEMAP）的引入，磷酸酯基与磷酸酯基具有协同作用，多元共聚聚羧酸母液酯键发生断裂时，释放出磷酸根参与水泥水化，延缓水泥水化，更好的起到缓释作用；同时释放出的磷酸根具有明显的缓凝效果，延缓了混凝土的硬化。

（3）从 GPC 结果可看出，P-T 母液的分子量分布较窄，分子量相较于 P-W 略高；从红外光谱结果可看出羟基、羧基、羰基等含氧官能团，说明聚合物中存在可能存在丙烯酸羟丙酯（HPA）基与不饱和磷酸酯（HEMAP）基，由于缺乏直接的证据，其具体结构仍有待探讨。