探索天然高分子基混凝土减水剂合成与应用策略

唐 云

（绵阳职业技术学院材料系,四川 绵阳621000）

0 前 言

作为现代文明的四大支柱之一，材料技术对于其他产业的技术有着非常深刻的影响，为了实现混凝土材料的绿色化和可持续发展应当探索天然高分子基混凝土减水剂合成与应用策略。

1 原材料与实验方法

1.1 所采用的原材料与试剂

（1）铜氨溶液测得的聚合度约1100的棉纤维素；（2）含水率4.3%的淀粉糊精；(3)DS=2.1、MS=3.3的羟乙基纤维素；（4）氯磺酸和二氯乙烷；（5）四平精细化工厂提供的1，4-丁基磺酸内酯(分析纯，)；（6）市场上购得的氢氧化钠；（7）市场上购得的纯度36.5%的盐酸；（8）市场上购得的异丙醇和无水乙醇(分析纯，市售)；（9）无水甲醇(分析纯，市售)；（10）实验室配制的1M铜氨溶液：ISO标准砂(市售)；（11）细度模数为2.63的河砂；（12）级配良好、粒径为5mm～25ram的碎石子固含量为40%的棕色水溶液的SNF减水剂；（13）普通硅酸盐水泥；

1.2 采用的主要实验仪器

（1）浙江金坛市科兴仪器厂出品的恒温水浴锅；（2）电动强力搅拌机；（3）微波炉；（4）行星式水泥胶砂搅拌机；（5）跳桌和恒温养护箱；（6）微机控制全自动压力试验机；（7）水泥电动抗折试验机；（8）混凝土抗压强度实验机液压机；（9）GSL-10181激光颗粒分布测量仪；（10）水泥标准稠度维卡仪。

采用相关的试验装置对SBC、磺化羟乙基纤维素、淀粉顺丁烯二酸半酯进行合成，然后采用红外光谱仪和相应的测试方法对400-4000cm-1的范围进行红外光谱的测试；采用核磁共振波谱仪得到核磁共振谱（NMR）；选择有代表性的水溶性产物的GPC方法对分子量进行测量。在合成的过程中采用乌氏粘度计法测定特性粘数以控制反应条件对产物应用性能的影响，主要采用乌氏粘度计法和凝胶渗透色谱法。

在应用性能的测试过程中主要进行以下方面的测试。

（1）减水剂吸附量测定；（2）光电子能谱分析；（3）水泥颗粒表面；（4）X射线衍射分析；（5）扫描电镜(SEM)分析；（6）差示扫描量热分析(DSC)； （7）水化热测定；（8）水泥粒度分布测定；（9）水泥净浆试样制备及性能测试；（10）砂浆、混凝土性能测试。

2 天然高分子基减水剂的合成

在过程工程学发展的过程中衍生出了材料过程工程学，过程工程学中很多的理论在材料过程工程学中都能够应用。混凝土减水剂的制备过程是材料过程工程学研究的驻点要素，不能脱离相应的化学反应，下面对丁基磺酸纤维素、磺化羟乙基纤维素和淀粉顺丁烯半酯的合成条件及影响因素进行了研究，一般是在多相介质中才会发生纤维素衍生化反应。

在以纤维素为原材料制备混凝土减水剂的过程中主要分为两个部分：首先是利用稀酸水解手段制备较低分子量的LODP纤维素，然后是利用纤维素醚化反应改性制备水溶性纤维素衍生物。

2.1 平衡聚合度纤维素制备

目前，已经具备比较成熟的技术利用纤维素制备平衡聚合度纤维素(LODP Cellulose)。很多学者研究了无机酸种类、浓度等对纤维素聚合度的影响，因此本文中的试验采用了6%浓度的稀盐酸水溶液水解纤维素来制备LODP纤维素。

在制备平衡聚合度纤维素的过程中参考相关的资料，具体的操作过程如下：首先在三口烧瓶中加入事先称取的棉纤维素，同时在在氮气的保护下将浓度为6%的稀盐酸和1%助剂加入在内，经过强烈的搅拌和30分钟的100摄氏度下的化学反应以后再采用0.5mol／L的NaOH将水溶液中和，然后经过多次去离子水冲洗，直至冲洗液呈中性为止，最后在50摄氏度下进行真空干燥处理，测试得到的纤维素的备聚合度，储存以备改性研究。

2.2 丁基磺酸纤维素减水剂合成

在合成水溶性丁基磺酸纤维素醚(Sulfobutylated Cellulose Ether，SBC)的过程中主要分为两个阶段：首先是进行纤维素的碱化(活化)，然后进行碱纤维素的醚化反应。本文为了确定最优反应条件，主要研究了由LODP纤维素制备的低分子量纤维素衍生物的合成工艺与产物性能。碱液浓度、碱化温度和碱化时间三个主要的因素影响了纤维素碱化。本文的试验中的碱化介质采用30%的氢氧化钠水溶液与异丙醇的混合液，将室温作为碱化温度。

2.3 磺化羟乙基纤维素的制备和淀粉基减水剂合成

接下来根据国内外的研究方法制备磺化羟乙基纤维素以及合成淀粉基减水剂，具体的制备和合成过程限于篇幅本文不再赘述。

3 合成减水剂在混凝土中的应用

3.1 混凝土减水率测定

为了测得不同取代度的SBC在1%掺量下混凝土的坍落度值，本试验采用坍落度筒法进行测量，从测量的结果可以看出掺加SBC6的混凝土具有很好的粘聚性，没有出现离析现象，具备较少的泌水量和较好的保水性；在泌水量的对比上，掺加SBC7、SBC8的混凝土泌水量略多于SBC6，粘聚性能大体相同，三者和易性的均比掺加SNF的混凝土优良。

3.2 SBC配制C40混凝土

通过配制C40混凝土来验证SBC实际应用效果，采用467kg／m3单位混凝土水泥用量，根据数据分析结果可以看出：掺加SBC8的混凝土88%的泌水率明显低于空白混凝土以及掺加SNF的混凝土泌水率；120min的坍落度损失了大约40%，SBC对于保持混凝土坍落度有很好的效果；初凝和终凝时间都得到了延长。对于掺加减水剂所配制的高流动度混凝土， SBC的坍落度损失更加小，掺加SNF的混凝土初始坍落度与掺加SBC基本一样，但120min后的坍落度损失了将近70%。但是与减水剂PC相比，SBC初始坍落度和120min后的坍落度均低于前者的值。

4 总结

作为天然高分子材料的主要代表，纤维素和淀粉具有广阔的应用前景，二者衍生物在建材领域中得到了非常广泛的应用。后续还应当对天然高分子基混凝土减水剂的应用进行更加深入的研究。