一种高强节能环保型减水剂对混凝土性能的影响

黄文明，陈明中，魏运权

（湖北恒利建材科技有限公司，湖北 荆州 434000）

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一种高强节能环保型减水剂对混凝土性能的影响

黄文明，陈明中，魏运权

（湖北恒利建材科技有限公司，湖北 荆州 434000）

本文研究了经分子设计合成的 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸系减水剂对混凝土性能的影响。试验表明，HL-HES聚羧酸减水剂在较小掺量下，具有超高的减水率，很好的分散性、保塑性。该减水剂对不同水泥具有较强适应性，对混凝土的早期、后期抗压强度具有较好的影响。与其他种类减水剂进行对比试验，掺用 HL-HES 减水剂的混凝土较普通高效减水剂具有更加优良的工作性能。该减水剂具有较高的社会价值及经济价值。

聚羧酸减水剂；高强度；水泥；混凝土

0 引言

聚羧酸高效减水剂具有低掺量、高减水率、低坍落度损失，能提高混凝土的工作性，并较好地满足工程施工要求等特点，已成为提高混凝土性能的外加剂，也是目前外加剂产品中的研究热点[1-3]。商品混凝土是一种通过胶凝材料将集料与填料按一定比例混合后加水凝固硬化而具有胶结能力并具备一定强度的建筑材料[4]。随着高层建筑、高标准桥梁、高等级公路等一系列大型工程对混凝土的需求量增加，商品混凝土已经成为混凝土生产的一种主要形式，商品混凝土主要由水泥、掺合料、石、砂、水、外加剂等原材料组成，其中水泥是构成混凝土强度的基础，也是混凝土原材料中成本最高的一个，生产水泥带来的环境污染也最严重。然而现状商品混凝土中通常都有 20%～30% 的水泥由于没有水化而只起填充作用[5]，存在严重的能源浪费与因生产水泥而引起的环境污染现象。

本文研究用分子设计的理念，设计 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂的分子结构，在一定条件下合成具有梳形结构的减水剂，在以保证混凝土具有高强度性能为基础的同时，又具有高效减水率，更能深层次地分散混凝土中的水泥颗粒并充分激发混凝土中只起填充作用的水泥的功效，减少混凝土中未水化的水泥组分，使单位混凝土中水泥用量大幅减低，从而大幅度降低因生产水泥引起的环境污染，具有明显的节能环保作用。

1 试验部分

1.1 主要原材料及仪器设备

（1）原材料：丙烯基醇聚氧乙烯醚：工业级：江苏省海安石油化工；甲基丙烯酸：工业级，南京景文化工有限公司；甲基丙烯酰胺：工业级，郑州瑞博化工有限公司；丙烯酰胺基甲基丙基磺酸钠：工业级：成都思危化工有限公司；顺丁烯二酸酐：天津渤海化工；巯基乙酸：化学纯，天津乐泰化工；氢氧化钠：工业级，市售；维生素 C：工业级，市售；过硫酸铵；工业级，市售；亚硫酸氢钠；工业级，市售；三峡牌 42.5 级水泥；华新牌 42.5 级水泥；京兰牌 42.5 级水泥；金塔牌 42.5 级水泥。

（2）HL-8000A 聚羧酸减水剂、HL-8000B 聚羧酸减水剂、HL-8000C 聚羧酸减水剂、FDN-HES 高效减水剂：湖北恒利建材科技有限公司。

（3）仪器设备：电热恒温水浴锅：巩义市予华仪器有限责任公司；电子分析天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；扫描电镜：中科科仪股份有限公司；压力试验机：浙江辰鑫机械设备有限公司；振实台：浙江辰鑫机械设备有限公司；含气量测定仪：Forney Inc USA；强制式单卧砼搅拌机：浙江辰鑫机械设备有限公司；NJ-160B 水泥净浆搅拌机：河北科析仪器设备有限公司。

1.2 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂的设计

聚羧酸型减水剂的分子结构决定其性能，分子中应该具有羟基、羧基、高密度磺酸基、酰胺基、醚基、非极性短主链、极性长侧链等活性基团[6-12]。羟基和羧基具有缓凝作用，羟基的数目越多缓凝效果越明显，羧基和磺酸基为阴离子，具有减水作用和保塑作用[13-14]；酰胺基具有引气作用、分散和缓凝作用；醚基具有一定的引气作用、分散和增稳作用[15-19]；结合相应基团对于减水剂的特性，本研究选用丙烯酰胺基甲基丙基磺酸钠、顺丁烯二酸酐、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺等化合物为可聚合小分子原料，选用丙烯基醇聚氧乙烯醚为可聚合大分子单体，该化合物含有聚氧乙烯基，在减水剂的分子中能起到空间位阻效应[6]；合适的支链长度能使减水剂保持很好的流动性；使减水剂在小掺量的情况下保证产品在具有高效减水率的同时，又能更深层次地分散混凝土中的水泥颗粒并充分激发混凝土中只起填充作用的水泥的功效，减少混凝土中未水化的水泥组分，使单位混凝土中水泥用量大幅减低[15,17]。根据 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂的特性与分子结构的关系，本研究设计的减水剂分子机构如图 1 所示。

图 1 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂的分子结构

1.3 减水剂合成方法

将带有温度计、机械搅拌、冷凝回流装置、恒压滴液漏斗的洁净四口烧瓶固定于恒温加热装置中。向反应瓶中加入一定量的水，开启搅拌，加入一定量的大分子单体丙烯基醇聚氧乙烯醚，体系升温至一定温度时恒温搅拌 5～15min，加入顺丁烯二酸酐，升温至一定温度时恒温搅拌 10～30min，再分批次滴加一定量的过硫酸铵与亚硫酸氢钠水溶液、巯基乙酸和甲基丙烯酸的水溶液、维生素 C 和甲基丙烯酰胺水溶液。丙烯酰胺基甲基丙基磺酸钠水溶液，滴加完毕后，保持反应液温度 40～80℃ 搅拌反应 1～2h，继续保温 2～5 小时。调节反应液温度小于 50℃，加入氢氧化钠水溶液，调节反应液 pH=6.5～7.5 之间，得到 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂成品。

1.4 测试方法

水泥净浆流动度按照 GB/T 8077－2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试；配合比、混凝土减水率、新拌混凝土坍落度、1h 混凝土坍落度、混凝土抗压强度、泌水率比、压力泌水率比、28d 收缩率比等按照 GB8076—2008《混凝土外加剂》、TB/T 3275—2011《铁路混凝土》进行操作；水泥净浆凝结时间按照 GB/T1346—2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性检验方法》测试。

2 试验结果与讨论

2.1 减水剂掺量的研究

为了研究 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂掺量对其水泥净浆流动度的影响，选用三峡牌 42.5 级水泥进行试验，结果如图 2 所示（按折固含量占水泥质量的百分比）。

图 2 掺量与净浆流动度的关系

由图 2 可知，随着减水剂掺量的不断增长，水泥净浆流动度也相应增大。但掺量达到一比例之后，水泥净浆流动度增长趋势变缓，趋于平稳。这是由于随着 HL-HES 减水剂掺于水泥之中，减水剂的分子便迅速地吸附于水泥颗粒表面。随着掺量的增加，水泥颗粒表面减水剂分子的数量就相应增加，水泥颗粒之间就会有较强的静电效应和空间位阻效应，这就促使水泥颗粒被更深层次地分散并充分被水化，激发了混凝土中大约 20%～30% 只起填充作用的水泥的功效，表现为水泥净浆流动度也相应的增加。

当水泥颗粒表面吸附减水剂分子的数量达到饱和后，继续增加减水剂的掺量，水泥净浆流动度的增大趋势不明显，如果继续增加减水剂的掺量，就会出现净浆泌水现象，同时也增加了制备混凝土的成本。

因此 HL-HES 减水剂的掺量可确定在 0.16%～0.32% 之间，具有较好的水泥净浆流动度、分散效果与保塑性。

2.2 减水剂对水泥适应性的研究

为了研究 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂对水泥的适应性，本研究选用不同品牌的水泥进行试验，为了更有效地说明 HL-HES 减水剂的适应性，本研究确定减水剂的掺量（按折固含量占水泥质量的百分比）分别为 0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32% 进行试验，试验结果如表 1 所示。

由表 1 可知，本实验所采用的 5 个掺量、5 种水泥，在按 0.16%～0.32% 之间掺用 HL-HES 减水剂的新拌水泥的净浆流动性好，减水效果明显，有很好的分散效果与保塑性。1h净浆流动性变化波动较小，损失很小，因此，本研究合成的减水剂对水泥有很好的适应性。

2.3 减水剂净浆流动度的研究

为了研究 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂与同类型减水剂的净浆流动度的关系，本研究选用不同品种的减水剂进行试验，为了更有效地说明减水剂与净浆流动度的关系，本研究确定减水剂的掺量（按折固含量占水泥质量的百分比）分别为 0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32% 进行试验，试验结果如表 2 所示。

由表 2 可知，本实验所采用的 5 个掺量、5 种减水剂，在按 0.16%～0.32% 之间掺用减水剂的新拌水泥的净浆流动性，以掺本研究减水剂的净浆流动性最好，减水效果优越，有较好的分散效果与保塑性，1h 净浆流动性变化波动较平稳，损失很小。

表 1 高强节能环保型减水剂对水泥适应性

2.4 减水剂在混凝土中的应用

混凝土配合比参照国家标准 GB8076—2008《混凝土外加剂》相关规定要求。

2.4.1 原材料

水泥采用华新牌 42.5 级，华新水泥股份有限公司生产；Ⅱ级粉煤灰，荆州国电厂生产；S95 级矿粉；细度模数为2.6～2.8 的中砂；4.75～26.5mm 连续级配的石灰石碎石，拌合用水为自来水。

2.4.2 混凝土坍落度、减水率和含气量的研究

为了研究 HL-HES 高强节能环保型聚羧酸减水剂的混凝土坍落度、减水率和含气量，减水剂的掺量（按折固含量占水泥质量的 0.2%），测试结果如表 3 所示。

由表 3 可知，与空白试样相比，掺入 HL-HES 减水剂的混凝土减水率可达 30% 以上，1h 经时混凝土坍落度基本无损失，混凝土含气量为 2.4%～2.5%。说明了本研究产品具有明显的减水效果和保塑性，含气量低并且处于新拌混凝土含气量要求值的范围内，确保混凝土的流动性好。

表 2 不同种类减水剂与净浆流动度的关系

表 3 混凝土坍落度、1h坍落度、减水率和含气量

2.4.3 新拌混凝土的抗压强度

本试验混凝土按照 GB8076－2008《混凝土外加剂》的相关规定，试验结果如表 4 所示。

表 4 混凝土抗压强度

由表 4 所示，与空白试件相比，掺入 HL-HES 减水剂的混凝土抗压强度有非常明显地提高，本研究产品不仅具有高的减水率，而且还具有早期发展强度快、后期强度高、后期强度发展趋势良好等特点。

2.4.4 对 C50 混凝土的影响

根据商品混凝土的实际情况，本研究采用 C50 混凝土代表高强度等级混凝土，采用商品混凝土常用的配合比探讨不同减水剂对混凝土工作性及强度的影响。根据一般条件的施工工程对混凝土的技术要求 C50 混凝土的指标为：初始坍落度 200～220mm，扩展度 500～550mm，容重 2430kg/m3，含气量 3% 左右；7d 强度不小于设计强度的 90%。

本试验混凝土按照 GB8076－2008《混凝土外加剂》的相关规定，拟定配合比如表 7 所示。配合比设计方法为：以Al、A2 和 A3 为第一对照组，其中 A1 为基准配合比，采用普通高效减水剂进行试验；A2 与 A3 为对比配合比，与 A1相比，A2 与 A3 均保持砂率与设计容重不变，但是 A2 减少水泥用量 40kg/m3，减少用水量 5kg/m3；A3 减少水泥用量60kg/m3，减少用水量 5kg/m3，A2 与 A3 均采用 HL-HES 减水剂进行试验。相应的，表中所示的 A4、A5 与 A6 为第二对照组，A7、A8 与 A9 为第二对照组变化规律与第一对照组一致。混凝土影响配合比如表 5 所示，强度及工作性能数据如表 6 所示。

表 6 对 C50 混凝土影响配试验结果

在保证混凝土的工作性能基本一致的前提下，在上述试验的结果表 6 中，第一对照组的强度数据情况为配合比 A2 的各龄期强度都与配合比 A1 的强度变化趋势一致，且强度差值较小，到了较长龄期时两个配合比的强度数据基本一致；配合比 A3 各龄期强度数据虽小于比配合比 A1，但是差值小于4MPa，属正常变化。第二对照组的情况与第一对照组的数据变化一致。

掺加了 15% 粉煤灰的第三对照组强度发展规律基本与前二组变化趋势一致，也证明了本研究产品在大掺量矿物掺合料混凝土中的适应性。

表 6 中的每一组混凝土从 28d 到 56d 之间的强度都在不间断的发展，而 A1 与 A4 这两个配比的混凝土中至少有将近40kg 的水泥没有充分水化，因此掺用本研究产品在节约成本方面表现出了明显的优势。

2.5 减水剂对混凝土密实性的影响

通过硬化水泥净浆的扫面电镜的测试试验，观察空白试件、掺入普通高效减水剂试件和掺入 HL-HES 高强节能环保型减水剂试件的空隙分布和孔径大小的情况，结果如图 3、图4、图 5 所示。

图 3 空白试件

图 4 普通高效减水剂试件

图 5 本研究减水剂试件

由图 3 可知，在空白试件中存在着尺寸不一，分布不均匀的空隙，这样的孔隙结构对水泥净浆强度有一定的降低作用，对其耐久性也会有不良影响。由图 4 可知，掺入普通高效减水剂的试件，有明显的细小孔隙，这样的孔隙对水泥净浆的密实性有一定的降低作用，也不利于混凝土的耐久性。由图 5 可知，掺入 HL-HES 减水剂的试件，有分布均匀的细小孔隙存在，并且孔隙的数量适中，这样的孔隙对水泥净浆的流动度有较好的影响，对其密实性有良好的作用。由于尺寸效应的存在，硬化水泥净浆的强度有所提高，对耐久性有一定的益处，从而提高了混凝土的工作性能。

3 结论

（1）本研究合成的 HL-HES 高强节能环保型具有较好的工作性能，在较小的掺量下，具有较好的分散性和保塑性，减水率高，早期强度发展快，后期强度高。研究产品具有明显的高强性能。（2）在以 C50 为代表的高强度等级混凝土减少占胶凝材料总量约 8.5% 的水泥（约 30kg）后，采用 HLHES 高强节能环保型减水剂配制的混凝土工作性能优秀。研究产品具有明显的节能效果，也因节约水泥用量而具有明显的环保作用。（3）HL-HES 高强节能环保型减水剂有利于混凝土拌合物中的水泥、粉煤灰等粉料和砂、石骨料分散性的提高，水泥水化程度的增进，提高混凝土的均质性，从而能够改良了混凝土的抗碳化、抗渗透和抗冻性，具有广泛的应用性与价值性。

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［通讯地址］湖北省荆州市沙市农场窑湾分场农技路 2 号（434000）

Effect on the properties of concrete by a kind of high-strength energy-saving and environmental friendly water reducer

Huang Wenming, Chen Mingzhong, Wei Yunquan
(Hu Bei Heng Li Building Materials Technology Co.,Ltd., Hubei Jingzhou 434000)

This paper studied the molecular design and synthesis of HL-HES high-strength energy-saving environmentally friendly polycarboxylate water reducing agent on the properties of concrete. HL-HES poly carboxylic acid tests showed that the material has ultrahigh water reducer rate in smaller dosage, meanwhile it has very well dispersibility and plastic. The water reducer has strong adaptability with different kinds of cement, which has a good effect in the early and late compressive strength of concrete. Compared with other types of water reducer test, the concrete mixed with HL-HES water reducer has more excellent work performance than ordinary high effi ciency water reducer. The water reducer has high social value and economic value.

polycarboxylate-type water reducer; high performance; cement; concrete

黄文明，男，中国重庆酉阳人，工程师，于湖北恒利建材科技有限公司从事混凝土外加剂的研究工作。