非离子型封端聚羧酸系减水剂对水泥浆体流变行为的影响

王芳，张力冉，潘佳，王栋民

（中国矿业大学（北京），北京 100083）

0 引言

混凝土作为建筑业的最重要的材料，随着社会和经济的发展，逐渐商品化[1]。人们对混凝土的工作性和耐久性也提出了更高的要求。聚羧酸高性能减水剂因具有高减水、低掺量以及保持能力好等优点而被认为混凝土材料改性的第三次飞跃[2]。它的研究和大规模应用推动了建筑施工技术的发展[3]。而混凝土的质量很大程度上取决于新拌混凝土的流变性能[4]。因此，阐明水泥浆体与高效减水剂的流变行为之间的关系是十分重要的。减水剂具有改变触变性的结构变化和絮凝结构的破坏的能力[5]。

聚羧酸减水剂的分子结构决定其性能[6]，其中聚羧酸减水剂侧链封端方式决定着聚羧酸减水剂的分子在水泥颗粒以及水泥水化颗粒表面吸附方式及形态[7]，侧链封端方式影响聚羧酸减水剂分子对水泥浆体的分散效果，所以研究聚羧酸减水剂侧链封端方式的设计对聚羧酸减水剂性能优化具有很重大意义。

通过对上述内容的系统研究将有助于更好地理解聚羧酸系减水剂侧链封端方式对聚羧酸分子对水泥浆体流变学性能的影响[8-11]，从而在理论上指导聚羧酸系减水剂的分子设计及性能优化，为工程实践中外加剂与胶凝材料体系相容性的研究提供理论依据。

1 试验部分

1.1 基准水泥

选用的水泥为符合相关国家标准的 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其主要化学组成见表 1，物理力学性能结果见表 2。

表 1 水泥的化学成分分析 %

表 2 水泥的物理力学性能

1.2 试验方法

在配有水浴锅、温度计、搅拌器、蠕动泵和回流冷凝管的玻璃反应容器中，加入一定量去离子水，在搅拌的情况下加热至一定温度，分别滴加一定浓度的单体溶液和引发剂溶液，反应结束后，冷却至 40℃以下，用30% 的 NaOH 溶液中和至 pH＝6～8，然后将所得的粘稠液体稀释至 40%，备用。

采用 GPC-RI-DAWN EOS 十八角度激光散射联用系统测试合成样品的分子量。采用 NXS-11A 型旋转粘度计测定不同转速下水泥浆体的流变特性。

2 结果与讨论

2.1 不同侧链封端方式的聚羧酸减水剂的分子设计

不同侧链封端方式是以含有特殊官能团的不饱和单体引进聚羧酸减水剂分子结构中，减水剂通过侧链末端的特殊官能团吸附到水泥颗粒表面从而实现对水泥颗粒的分散。聚羧酸高性能减水剂分子中官能团通常含有羧酸基团 -COOH、羟基基团 -OH、磺酸基团 -SO3H 和聚氧乙烯链，还可以接上酰胺基 -NH2[12]等。聚羧酸分子设计时还要考虑极性基团和非极性基团的比例，使其性能最佳。

通过引入等摩尔量的含有不同官能团的活性不饱和单体，合成出一系列具有不同侧链封端形式的 PC，并进行了一系列的宏观和微观的研究。以甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG）、丙烯酸（AA）苯乙烯（St）、苯乙烯磺酸钠（SSS）不饱和单体，设计合成了由不同侧链封端不同的 PC，其结构式见图 1～3。

图 1 PC1 化学结构式

图 2 PC2化学结构式

图 3 PC3化学结构式

采用 GPC-RI-DAWN EOS 测定不同封端官能团 PC的分子量及其分布，测试结果如表 3 所示。由表 3 的试验数据可以看出：对于离子以非离子封端的 PC，含非离子的 PC2 的分子量大、分子量分布最窄。

表 3 不同侧链封端的PC的分子量

2.2 非离子封端的PC对新拌水泥浆体流变学性能的影响

讨论以苯乙烯和苯乙烯磺酸钠两种非离子封端的PC 对新版水泥浆体流变性能的影响。

2.2.1 非离子封端的PC对新拌水泥浆体剪切应力和表观粘度的影响

非离子封端的 PC1、PC2 和 PC3 对新拌水泥浆体剪切应力的影响试验结果如表 4 及图 4 和图 5 所示。

2.2.2 非离子封端的PC对新拌水泥浆体触变性的影响

对于该组中的回滞圈曲线进行拟合，得到拟合公式和所求的回滞圈面积如表 5 所示。从表 5 中数据可以看出，掺加以非离子基团封端的 PC2 的水泥浆体的回滞圈面积较小，说明向 PC 分子中适当引入非离子封端的基团可以改善水泥浆体的流变性能。

3 结论

通过测试掺入不同基团封端的聚羧酸减水剂的新拌水泥浆体的流变性能，以及水泥对减水剂的吸附量，表征聚羧酸减水剂的重均分子量及分子量分布。从多个角度研究分析不同侧链基团封端的聚羧酸减水剂对水泥浆体的吸附分散性能，得如下结论：

表 4 非离子封端PC对新拌水泥浆体剪切应力的影响

（1）通过表征不同侧链封端的 PC 分子量及其分布，可得出如下结论：含非离子的 PC2 的分子量大，分子量分布最窄。

（2）通过讨论不同侧链封端的 PC 的流变性能得出如下结论：侧链以非离子官能团封端时，其回滞圈面积小于以阴离子封端的 PC1 与 PC3。证明了聚羧酸减水剂的侧链以苯乙烯比以苯乙烯磺酸钠基团封端的分散效果更佳。

表 5 掺加非离子和阴离子封端PC新拌水泥浆体的回滞圈面积（S）计算表

图 4 PC1 对新拌水泥浆体剪切应力的影响

图 5 PC2 和PC3 对新拌水泥浆体剪切应力的影响