新型低敏感聚羧酸减水剂的制备及性能研究

聚羧酸减水剂凭借其较低的掺量、优异的分散性能、功能可设计性及绿色环保等一系列优点成为工程建筑领域应用最广的减水剂。但随着实际工程对混凝土要求越来越高，聚羧酸减水剂在配制混凝土应用过程中，减水剂过于敏感的问题被不断提及，主要表现为聚羧酸减水剂存在掺量计量波动、水泥品种变动、昼夜温度变化等影响，导致混凝土工作性能产生较大波动。因此，研究开发新型低敏感型聚羧酸减水剂具有重要意义。本文以异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)、异构酯(I)、丙烯酸(AA)为单体，次磷酸钠(F6)作为稳定剂，还原剂(F9)/双氧水(HO)作为引发体系，巯基乙酸(TGA)作为链转移剂，采用低温工艺进行聚合反应得到一种新型低敏感型聚羧酸减水剂。其在混凝土中应用的试验结果表明，该母液与市面上同类聚羧酸减水剂相比，在不同材料与温度下均能改善新拌混凝土坍损大及硬化后强度不足等问题。1　新型低敏感型聚羧酸减水剂的作用机理本文引入一定量的异构酯(I)作为活性单体，和五碳聚醚、不饱和羧酸发生反应，能有效改善聚羧酸分子的空间位阻结构，使制得的聚羧酸分子具有更高的分子活性。另外，异构酯分子结构中的酯基可以发生一定程度的水解缓释，当其应用于混凝土时，一方面可有效提高混凝土的减水性能，另一方面能有效提高混凝土的保坍性能等，即有效提升了混凝土的工作性能。同时，异构酯的加入还可提升五碳聚醚和不饱和羧酸的反应效率。混凝土由水泥、骨料、砂和水等材料组成，水泥与水反应会释放出大量热量，使混凝土温度升高，从而出现温度裂缝，使用一定量的次磷酸钠作为稳定剂，其分解时释放出氢离子和次磷酸离子，其中大量的氢离子中和了混凝土中的碱性，有效减缓水泥的反应速率，防止混凝土过早收缩，从而改善混凝土的力学性能。2　试验部分2.1　原材料(1)聚合原材料：异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)、次磷酸钠(F6)、异构酯(I)、丙烯酸(AA)、还原剂(F9)、双氧水(HO)、巯基乙酸(TGA)、32%氢氧化钠溶液，均为工业级；(2)复配原材料：PCE(市场同类减水剂)；(3)混凝土原材料：①水泥：基准水泥，红狮、春驰、华润P·O42.5；②砂：机制砂；③石：公称粒径5～20mm连续级配碎石。2.2　合成工艺将蒸馏水、异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)、F6(占TPEG0.5%～1.5%)、异构酯(占TPEG1%～2%)依次加入四口烧瓶中，启动搅拌器至底料溶解均匀，同时将双氧水(占TPEG0.4%～1.0%)与蒸馏水配为物料A，将还原剂(占TPEG0.08%～0.12%)与巯基乙酸(TGA)、蒸馏水配为物料B，将丙烯酸(占TPEG13%～15%)与蒸馏水配制成物料C，降低温度至15～20℃，并开始同时滴加2.0～2.5h。整个滴加过程温度不能高于35℃，滴加完毕后保温1h，用氢氧化钠溶液将母液pH值调整至6~7，即得新型低敏感型聚羧酸减水剂LZKZJFJ-18。2.3　性能测试方法参照GB8076-2008《混凝土外加剂》执行。3　试验结果与探讨3.1　异构酯对新型低敏感型聚羧酸减水剂产品性能的影响试验研究异构酯(I)用量占TPEG0～3.5%变化对产品性能的影响，具体结果如图1与表1、表2所示，表明异构酯(I)的最佳范围为1%～2%，主要原因为一定量的异构酯(I)分子中酯基可以发生一定程度的水解缓释，可提高减水剂的减水和保坍性能，过量的异构酯(I)聚羧酸分子聚合质量过大，不利于分散，且影响产品性能。3.2　次磷酸钠对新型低敏感型聚羧酸减水剂产品性能的影响以LZKZJFJ-10工艺为基础，研究次磷酸钠用量占TPEG0～2.5%变化对产品性能的影响，具体结果如图2与表3、表4所示，表明次磷酸钠的最佳范围为0.5%～1.5%，主要原因为一定量的次磷酸钠作为稳定剂，其分解时释放出的氢离子和次磷酸离子，大量的氢离子中和混凝土中的碱性，有效减缓水泥反应速率，防止混凝土过早收缩，改善混凝土的力学性能，过量的次磷酸钠影响母液均匀性，且干扰聚合反应性能。3.3　水泥敏感性试验将合成的新型低敏感型聚羧酸减水剂LZKZJFJ-18与市场同类减水剂PCE以相同掺量使用，分别对春驰、华润、红狮P·O42.5R水泥、基准水泥进行混凝土拌和，以混凝土初始、1h扩展度与采用基准水泥的绝对差值表征减水剂对水泥的敏感性，具体结果见表5、表6。混凝土试验结果表明，以基准水泥为基准，通过华润水泥、春驰水泥、红狮水泥拌和，减水剂LZKZJFJ-18的扩展度之差小于PCE，且强度优于PCE，故LZKZJFJ-18对不同品牌水泥的适应性优于PCE。3.4　温度敏感性试验将合成的新型低敏感型聚羧酸减水母液LZKZJFJ-18与市场同类减水剂PCE以相同掺量使用，在试验室模拟室外环境分别在0、20、40℃条件下使用20℃的水进行混凝土拌和，以混凝土初始、1h扩展度与20℃环境温度条件下的绝对差值表征减水剂对温度的敏感性，具体结果见表7、8。混凝土试验结果表明，以20℃混凝土试验为基准，在0、20、40℃条件下进行混凝土拌和，减水剂LZKZJFJ-18的扩展度之差小于PCE，且强度优于PCE，故LZKZJFJ-18对不同环境温度的适应性优于PCE。3.5　掺量敏感性保持混凝土配合比不变，调整外加剂掺量，以混凝土初始扩展度在(400±10)mm为掺量起点，然后进行掺量递增，当混凝土初始扩展度在(550±10)mm时，确定该掺量点为外加剂的掺量终点。掺量宽度按掺量终点与掺量起点的比值计算。将合成的新型低敏感型聚羧酸减水母液LZKZJFJ-18与市场同类减水剂PCE进行混凝土试验对比，具体结果见表9、表10。试验结果表明，LZKZJ-18与PCE掺量宽度之差为10%，说明LZKZJ-18掺量敏感性明显小于PCE，且从强度表可知，LZKZJFJ-18强度优于PCE。4　结论(1)本文对低敏感减水剂作用机理进行研究，确定使用异构酯(I)为TPEG的1%～2%，次磷酸钠为TPEG的0.5%～1.5%可制得减水和保坍性能良好，且强度优异的新型低敏感减水剂LZKZJFJ-18。(2)研究制得的新型低敏感减水剂LZKZJFJ-18在不同环境温度、不同水泥品牌、不同掺量宽度条件下相对市场同类减水剂PCE敏感性更低，有更好的适应性。（来源：《江西建材》2024.11）