混凝土专用聚羧酸保坍剂的制备及其性能研究

贺海量，严杰，闵亚红，杨葛，袁剑涛，吴振军

（1.湖南大学　化学化工学院，湖南 长沙　410082；2.湖南铭煌科技发展有限公司，湖南　长沙　410082）

混凝土专用聚羧酸保坍剂的制备及其性能研究

贺海量1,2，严杰2，闵亚红1,2，杨葛2，袁剑涛2，吴振军1

（1.湖南大学化学化工学院，湖南 长沙410082；2.湖南铭煌科技发展有限公司，湖南长沙410082）

针对含泥量和含石粉量很高以及某些机制砂品质很差导致的混凝土坍落度损失快的问题，本文提出了一种混凝土专用聚羧酸保坍剂。试验表明：该保坍剂 PC-103具有很强的坍落度保持能力，并且在2h左右分散效果达到最大约280mm；并且与普通聚羧酸减水剂复配后效果明显优于单掺，其混凝土性能较好，对吸附能力高的机制砂具有良好的适应性及保坍能力。

聚羧酸；保坍剂；适应性；复配

0　引言

聚羧酸减水剂作为继木质素、萘系减水剂之后的第三代减水剂，具有掺量低、减水率高、新拌混凝土流动性及保坍性好、低收缩、混凝土耐久性能优异以及分子设计性强等特点，同时在生产过程中不使用甲醛、无废液废气排出等具有绿色环保性能。聚羧酸减水剂的发明在很大程度上提高了混凝土性能，促进混凝土技术不断发展。因此，聚羧酸减水剂已广泛应用于市政、铁路、公路、港口、桥梁、水电等领域[1-3]。随着我国经济的快速发展和建筑水平的提高，对混凝土质量的要求越来越高。但是，由于国内水泥品种众多且水泥品质波动很大、混凝土砂石品质较差等，例如，砂石中含泥量和含石粉量很高以及某些机制砂品质很差等，经常发生混凝土坍落度损失快的现象，增加混凝土施工和质量控制的难度[4]。施工中通常在聚羧酸减水剂中复配葡萄糖酸钠、蔗糖等缓凝组分来控制混凝土坍落度损失快的问题，但过多的掺量会使混凝土的凝结时间延长，减缓施工进度。因此，迫切需要一种具有能够改善聚羧酸减水剂保坍能力的外加剂或者具备适应性好、保坍能力强的聚羧酸保坍剂就成了聚羧酸减水剂研究中的热点。

本文在原有聚醚型聚羧酸减水剂的基础上，通过分子结构的设计，研制了一种混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103，并探讨了该混凝土专用聚羧酸保坍剂对不同水泥的适应性及在混凝土中的应用性能。

1　试验

1.1试验原料与仪器

甲基烯丙基聚氧乙烯醚大单体（上海东大化学，TPEG，分子量2400～3000）；丙烯酸（AA），分析纯；引发剂，分析纯；链转移剂，分析纯；还原剂，分析纯；丙烯酸羟乙酯（HEA），分析纯；碱液；去离子水。

水泥，P·O42.5R 级水泥；粉煤灰，株洲电厂；矿粉，湘潭华新矿粉 S95细集料，坪塘机制砂；粗集料，望城碎石；普通聚羧酸减水剂，采用自制减水剂（PC-101），减水率达25% 以上。

JJ-1电动搅拌器；HL-2B 恒流泵；DK-98-Ⅱ 水浴锅，电子天平；四口烧瓶；NJ-160水泥净浆搅拌机；试验室混凝土搅拌机；压力试验机。

1.2合成工艺

在带有搅拌器和温度计的四口烧瓶中加入一定量的去离子水和聚醚，搅拌至 TPEG 全部溶解，再加入过硫酸铵搅拌，然后依次滴加 AA 与 HEA 的混合溶液，滴加还原剂和链转移剂的混合溶液，两种溶液匀速滴加3～3.5h 滴完，然后继续搅拌1h。反应结束后，加入液碱，调节 pH 值至6～8，即得混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103。

1.3水泥净浆流动度测试

水泥净浆流动度参照 GB/T8077－2012《混凝土外加剂均质性试验方法》中的水泥净浆流动度的相关标准进行测试，水灰比为0.29，减水剂掺量为0.4%（固含量40% 的聚羧酸减水剂）。

1.4混凝土测试

混凝土性能测定按照 GB/T8076－2008《混凝土外加剂》、GB50119－2013《混凝土外加剂应用技术规范》、GB/T50080－2002《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》及 JC473－2001《混凝土泵送剂》进行试验。

2　检测结果与讨论

2.1水泥净浆流动度测试

选取市场上3个不同厂家生产的3种聚羧酸保坍剂产品，分别编号 A、B 和 C，与我们研制的混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103进行对比试验，保坍剂的固含量均为40%。水泥为海螺 P·O42.5R。试验结果如图1所示。

图1　净浆流动度测试结果

试验结果表明，我们研发的混凝土专用聚羧酸保坍剂PC-103，虽然初始净浆流动度小一些，但之后开始逐渐增长，2h 能达到285mm，缓释分散效果在2h左右达到最大。混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103初始净浆流动度不大，是因为初期保坍剂分子只有少量吸附在水泥颗粒上，但随着不饱和酯的不断缓慢水解释放羧基，净浆流动度不断增大，进而表现出较好的缓释分散效果。

2.2水泥适应性测试

一般认为，通过水泥净浆流动度试验来考察外加剂与水泥的适应性。因此，本文主要对三种不同水泥厂家的水泥进行水泥净浆流动度测试，通过水泥净浆流动度的经时损失来判断混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103对水泥的适应性。水泥分别选自长沙市场上常用的海螺、中材和华新三种水泥。试验结果如图2所示。

图　2　水泥适应性测试结果

由图2可知，用我们自己研发的混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103初始净浆流动度均较小，在110mm 左右，随着时间的延长，净浆流动度不断增大，在2h 达到最大280mm 左右。其中用华新水泥稍微差一点，在误差范围内。整体来说，混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103对这3种水泥具有较好的适应性。

2.3混凝土测试结果

为了更全面的评定混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103的性能，对该保坍剂进行混凝土性能研究，主要包括：混凝土的坍落度、扩展度和抗压强度测试试验，并与市场上3个不同厂家生产的聚羧酸保坍剂产品的混凝土性能进行对比，最后评定聚羧酸保坍剂的性能。试验中用 C30混凝土，混凝土的配合比如表1。

表1　C30混凝土配合比　kg/m3

2.3.1单掺保坍剂混凝土工作性能

选用不同水泥对3个不同厂家生产的聚羧酸保坍剂产品和混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103进行混凝土性能对比。水泥为长沙市场上常用的海螺水泥、中材水泥和华新水泥，均为 P·O42.5R，掺量为凝胶材料的2.0%。混凝土性能结果如表2。

表2　不同聚羧酸保坍剂用不同水泥配制的混凝土性能

从表2可以看出，混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103具有明显的缓释保坍性能和良好的适应性，其缓释保坍效果明显优于市场上3个不同厂家生产的聚羧酸保坍剂产品。并且，3种水泥配制的混凝土粘聚性、和易性均较好，强度也较好。

2.3.2复配使用的混凝土工作性能

由于混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103早期流动度小，后期缓慢释放，一般和减水剂复配使用。本试验选择用湖南铭煌科技发展有限公司自行研制的聚羧酸减水剂 PC-101（淡黄色液体，固含40%，减水率可达25% 以上）与混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103复配，使其早期流动性和保坍性能也好。根据使混凝土初始坍落度和扩展度相同或相似，按照不同的比例复配，复配浓度为10%，水泥为长沙市场上常用的海螺水泥、中材水泥和华新水泥，均为 P·O42.5R，混凝土配合比同表1，掺量为凝胶材料的2.0%。混凝土性能测试结果如表3。

由表3的试验结果可以看出，当聚羧酸减水剂 PC-101单独使用时，混凝土损失较大，2h 后流动性很小；复配混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103后，在复配比例为4.7∶1到3.5∶5之间（即达到混凝土初始坍落度和扩展度相同或者相近）时，混凝土的粘聚性和初始流动度基本不受影响，2h内混凝土坍落度保持性良好，这主要由于混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103有缓释的特性，混凝土浆体中的有效减水剂分子会不断地补充已吸附并水化物覆盖了减水剂分子，使拌合物坍落度得以保持。随着混凝土专用聚羧酸保坍剂PC-103比例的不断提高，保坍性能稍有提高，但初始流动性也有所降低，这是因为混凝土拌合物初始的流动性主要由普通聚羧酸减水剂 PC-101提供，而后期的流动度则由新型聚羧酸保坍剂 PC-103提供。随着混凝土专用聚羧酸保坍剂PC-103掺量的增加，聚羧酸减水剂 PC-101的作用减小，使流动性变小，混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103有较好的保坍型，从而改善了混凝土的后期流动性能。

表3　复配产品用于海螺水泥混凝土性能测试结果

对于不同亚甲蓝值的机制砂复配使用的工作性能，见表4。

表4　复配产品用于华新水泥混凝土性能测试结果

从表4可以看出，随着机制砂的亚甲蓝值（MB）的增加，混凝土达到同样的初始坍落度时，所需要的聚羧酸减水剂 PC-101的掺量急剧增加，而使用了 PC-103与其复配的外加剂在掺量上并没有 PC-101递增明显。同时随着机制砂亚甲蓝值不断升高，PC-101的经时损失急剧加大，而复配了PC-103的外加剂具有良好的坍落度保持能力。这可能因为PC-101的抗吸附能力比较弱，而 PC-103对于含泥量高的机制砂具有良好的适应性。

3　结论

通过对混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103进行水泥净浆流动度、水泥适应性、混凝土应用性能的研究，可以得出以下结论：

（1）通过与其他同类聚羧酸保坍剂的净浆流动度对比，混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103具有明显的缓释效果，缓释分散效果在2h 左右达到最大约280mm。说明该保坍剂可以明显提高水泥的流动度，保坍效果较好。

（2）混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103与长沙市市销的大部分水泥适应性良好，其中该保坍剂与海螺水泥和中材水泥的适应性稍优于华新水泥。

（3）混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103与聚羧酸减水剂PC-101复配使用后，效果更好。不仅保证了混凝土的早期流动度，而且可以减少后期混凝土的经时损失，提高混凝土的抗压强度。

（4）混凝土专用聚羧酸保坍剂 PC-103针对吸附能力高的机制砂具有良好的适应性及保坍能力。

[1] 王子明．聚羧酸系高性能减水剂－制备、性能与应用[M]． 中国建筑工业出版社，2009．

[2] 卞荣兵，缪昌文．聚羧酸高效保坍剂的研制与应用[J]．混凝土世界，1999,07(19)：36-38．

[3] 孙正平，杨辉．国内聚羧酸系减水剂的研究进展及展望[J]．混凝土世界，2013,3：31-35．

[4] 盛喜忧，王万金，贺奎，等．缓释型聚羧酸系高性能减水剂的研发与应用[J]. 混凝土，2012,6：68-70．

［通讯地址］湖南省长沙市岳麓区湖南大学民主村6栋（410082）

Study on production and performance of polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent

He Hailiang1,2, Yan Jie2, Min Yahong1,2, Yang Ge2,Yuan Jiantao2, Wu Zhenjun1
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering Hunan University, HunanChangsha410082;2.Hunan Minghuang Technology Development Co., Ltd., HunanChangsha410205)

The polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent was synthesized to remit quick slump loss caused by high silt content and high stone powder content, or poor quality of manufactured sand. Experiments show that the polycarboxylate-based concrete slump-retaining agent PC-103performed well in controling slump loss. The dispersion effect is about280mm in about two hours. The admixture of PC-103and ordinary polycarboxylates superplasticizer has a better performance than single use in improving concrete workability in terms of slump-retaining capability and compatibility with high-absorbability manufacturing sand.

polycarboxylate; slump-retaining agent; compatibility; compounding

贺海量，男，湖南大学化学化工学院，工学博士 。长期从事混凝土和外加剂的研究与应用工作。