有机胺改性聚羧酸系高性能减水剂的试验研究

裴峻军

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

有机胺改性聚羧酸系高性能减水剂的试验研究

裴峻军

(山西省建筑科学研究院，山西太原 030001)

对四种聚羧酸系高性能减水剂进行了有机胺改性研究，优化出最佳改性工艺，并从分子链结构搭配的角度分析了有机胺的改性机理，结果表明:改性后的聚羧酸系高性能减水剂A对水泥的分散性能仅起到抵消缓释作用，聚羧酸系高性能减水剂B，C，D改性后对水泥的分散性能有很大的提高，尤其是对保坍性能较差的减水剂，改性后的减水剂对混凝土的流变性能与水泥净浆流动度的变化规律基本一致。

有机胺，聚羧酸系减水剂，改性，分散性

0 引言

聚羧酸系高性能减水剂作为配制高性能混凝土的重要组成材料，凭借其减水率高、保塑性好、收缩率低、高性能化潜力大等突出优点，广泛应用于高铁、桥梁、核电、水电等重点工程。然而，聚羧酸系高性能减水剂母液性能较为单一，无法满足不同工程领域、不同性能要求的混凝土，极大地制约了聚羧酸系高性能减水剂的广泛应用与发展。国内外专家学者通过化学和物理改性手段对聚羧酸系高性能减水剂进行了较系统的研究，取得了可喜的成绩。其中化学改性主要有优化分子结构设计，合理搭配长、短侧链，接枝功能性官能团等方法，物理改性主要以两种或两种以上性能优势不同的外加剂复配来实现协同效应和复合叠加效应。但是这些研究主要集中在改善聚羧酸系高性能减水剂某一方面的性能，比如缓释型、徐放型和利用廉价单体合成降低成本型，以及多组分物理复合等方面，这样给复配单位和施工企业带来诸多不便，在使用过程中很容易造成质量事故。本研究针对上述问题并结合国内外专家学者的研究成果，采用有机胺对不同厂家生产的聚羧酸系高性能减水剂进行了物理、化学改性，改性后的聚羧酸系高性能减水剂对水泥的适应性有了很大的提高，而且一种母液能适合不同要求的工程使用，实现了聚羧酸系高性能减水剂母液的高性能化、多功能化，既降低了生产成本，又解决了聚羧酸系高性能减水剂存在的问题。

1 试验用原材料及试验方法

1.1 试验用原材料

1)减水剂:采用山西华凯伟业科技有限公司生产的缓释型聚羧酸系高性能减水剂母液(A)和标准型母液(B)，山西康特尔精细化工有限责任公司生产的标准型聚羧酸系高性能减水剂母液(C)，山西鑫经纬建材有限公司生产的标准型聚羧酸系高性能减水剂母液(D)，以上四种产品均为醚类减水剂。为了便于分析研究，其母液均调整为40%的固含量，掺量为0.4%。

2)有机胺:由山西省建筑科学研究院自主研发，该有机胺产品外观为无色或淡黄色透明液体。

3)水泥:采用山西吉港水泥厂生产的P.O42.5水泥。

1.2 试验方法

1)改性试验:在装有搅拌器、温度计的500 m L三口瓶中分别加入固含量为40%的聚羧酸系高性能减水剂母液，待达到规定温度后加入有机胺进行反应，考察有机胺不同掺量、不同反应温度、不同反应时间对水泥净浆流动度及净浆流动度经时损失的影响。

2)水泥净浆流动度:按GB/T 8077—2012混凝土外加剂匀质性试验方法中水泥净浆流动度的试验方法，进行水泥净浆流动度的测定。采用水灰比为0.29，水泥用量为300 g，水用量为87 g。

2 试验结果及分析

本试验对三个聚羧酸系高性能减水剂生产厂家的四个产品进行了有机胺改性研究，主要考察了有机胺在不同掺量、不同反应温度、不同反应时间下对水泥净浆流动度及净浆流动度经时损失的影响。

2.1 有机胺的掺量对水泥分散性能的影响

由于聚羧酸系高性能减水剂的合成温度一般控制在60℃～80℃［4］，为了便于研究有机胺的掺量对聚羧酸系高性能减水剂性能的影响，本试验采用的反应温度控制在80℃ ±5℃，反应时间暂定为30 min，有机胺的掺量为40%固含量聚羧酸系高性能减水剂母液，其试验结果如表1所示。

表1 有机胺的掺量对水泥分散性能的影响

由表1可以看出，随着有机胺掺量的增加，聚羧酸系高性能减水剂B，C，D对水泥不同时段的分散性能均有不同程度的提高，当有机胺掺量达到饱和时，不同时段的水泥净浆分散性能略有下降。聚羧酸系高性能减水剂A属于缓释型减水剂，在0 min，30 min时与B，C，D表现一致，在60 min时与有机胺掺量无关，这与聚羧酸系高性能减水剂母液的类别有关。当有机胺掺量达到0.8%时，聚羧酸系高性能减水剂B，C，D与不掺有机胺相比较，0 min水泥净浆流动度最大提高65 mm，30 min水泥净浆流动度最大提高75 mm，60 min水泥净浆流动度最大提高100 mm，从以上试验数据可以看出有机胺改性后的聚羧酸系高性能减水剂B，C，D对水泥的分散性能有很大的改善作用，对聚羧酸系高性能减水剂A仅起到抵消缓释作用。

2.2 不同反应温度对水泥分散性能的影响

加入不同掺量的有机胺经复合反应后，对聚羧酸系高性能减水剂分散性能有了不同程度的提高，在此基础上进一步研究反应温度对其分散性能的影响。为了简化合成工艺，降低能耗，一些专家学者进行了无热源或常温合成聚羧酸系高性能减水剂的研究，取得了较好的效果。本试验针对不同合成工艺和实际应用情况，确定改性反应温度控制在20℃～90℃内进行研究，有机胺掺量为0.8%，反应时间暂定为30 min，其试验结果如表2所示。

表2 反应温度对水泥分散性能的影响

由表2可以看出，前期随着反应温度的升高，四种聚羧酸系高性能减水剂对水泥不同时段的分散性能均有不同程度的提高，尤其是在40℃～60℃之间，当温度达到60℃以上时，对水泥不同时段的分散性能影响不大。从试验数据分析来看，反应温度应控制在40℃～60℃较为经济合理，如果条件不具备，直接常温反应也较改性前具有一定的优势。

2.3 不同反应时间对水泥分散性能的影响

通过研究有机胺的掺量和反应温度对聚羧酸系高性能减水剂分散性能的影响，发现反应温度对改性效果影响较小，最佳反应温度在40℃ ～60℃，因此对反应时间的研究温度控制在60℃±5℃。反应时间控制在10 min～90 min之间。反应时间对聚羧酸系高性能减水剂分散性能的影响结果如表3所示。

表3 反应时间对水泥分散性能的影响

由表3可以看出，随着反应时间的延长，四种聚羧酸系高性能减水剂对两种水泥不同时段的分散性能均有不同程度的提高，尤其是在30 min～50 min之间，当反应时间延长到50 min～90 min之间时，对水泥不同时段的分散性能几乎无影响。从试验数据分析来看，该反应时间应控制在30 min～50 min。反应时间为50min时，与反应时间为10min相比较，0min水泥净浆流动度最大提高35 mm，30 min水泥净浆流动度最大提高40 mm，60 min水泥净浆流动度最大提高45 mm。

2.4 机理分析研究

通过研究有机胺的掺量、反应温度和反应时间对聚羧酸系高性能减水剂性能的影响，优化了改性工艺参数，提高了聚羧酸系高性能减水剂的性能。首先分析聚羧酸系高性能减水剂对水泥颗粒的分散机理，雷道斌认为聚羧酸系高效减水剂的分散减水作用机理以空间位阻斥力作用为主，其次是水化膜润滑作用和静电斥力作用，同时还具有一定的引气隔离“滚珠”减水效应和降低“固—液”界面能效应。彭雄义等通过比较合成的三种侧链长度不同的聚羧酸系减水剂对水泥颗粒分散性能，发现长短支链交替组成的减水剂具有较好的分散性。日本学者Hamadad等人认为，相同掺量下，长侧链减水剂具有高分散性，但流动经时损失大，混凝土凝结时间也短。由于聚羧酸系高效减水剂呈梳状吸附在水泥颗粒表面，侧链延伸到液相中，从而使水泥颗粒之间具有显著的空间位阻斥力作用。有机胺对聚羧酸系高性能减水剂的改性机理，从理论上分析认为是有机胺与聚羧酸系高性能减水剂部分发生聚合反应，延伸了原有支链的长度，增加了短支链的数量，使各支链长短交替，或有机胺小分子游离在各支链或支链与主链之间，改善了空间位阻斥力，提高了聚羧酸系高性能减水剂的分散性能和保坍性能，从而改善了聚羧酸系高性能减水剂的性能，其分子结构变化还有待进一步研究。

3 结论与展望

1)通过对三个聚羧酸系高性能减水剂生产厂家的四个产品进行了改性研究，优化出的改性工艺为:有机胺的最佳掺量0.8%，反应温度应控制在40℃～60℃之间，反应时间应控制在20 min～50 min之间。

2)聚羧酸系高性能减水剂A属于缓释型减水剂，改性起到抵消缓释作用，聚羧酸系高性能减水剂B，C，D改性后对水泥净浆的分散性能都有很大的提高。

3)有机胺对聚羧酸系高性能减水剂的改性研究尚属首次，其分子结构变化有待验证。

［1］ 郭登峰，刘 红，刘 准.混凝土减水剂研究现状和进展［J］.混凝土，2010(7):79-82.

［2］ 沙建芳，刘 宏，徐海源，等.聚羧酸减水剂民用化存在问题及对策［J］.混凝土，2013(1):89-93.

［3］ 周忠群，陈小平，申迎华，等.新型聚羧酸系高效减水剂的合成及应用性能［J］.混凝土，2011(5):70-72.

［4］ 虞亚丽，刘俊平，霍利利.无热源聚羧酸减水剂聚合工艺以及性能研究［J］.混凝土，2014(11):84-86.

［5］ 王玉娇，胡若飞，鲁 俊.聚羧酸型减水剂低温合成工艺研究［J］.应用化工，2014，43(2):225-227.

［6］ 雷道斌.对日本混凝土外加剂发展现状的思考［J］.混凝土，2001(11):18-20.

［7］ 彭雄义，易聪华，张 智，等.聚羧酸系减水剂对水泥分散和水化产物的影响［J］.建筑材料学报，2010，13(5):578-583.

［8］ Hamada D，Hamai T，Shonaka M.New supcrplasticizcr providing ultimate workability［J］.Pro，JCI，2006，28(1):185-190.

Experimental research on high-performance organic am ine polycarboxylic acid water-reducing agent

Pei Junjun

(Shanxi Academy of Building Science，Taiyuan 030001，China)

The paper studies four kinds of organic aminemodification of organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent，and optimizes optimalmodified technologies.Results show that:modified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent A can release the cement depressiveness，themodified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent B，C and D can greatly improve the cement depressiveness especially for poorwater-reducing agent，themodified high-performance organic amine polycarboxylic acid water-reducing agent has basically coordination for concrete rheological behavior and cement cleaning flowing law aswell.

organic amine，polycarboxylic acid water-reducing agent，modification，depressiveness

TU528.042

A

1009-6825(2015)29-0126-02

2015-08-07

裴峻军(1976-)，男，助理工程师