超分散剂对聚羧酸高性能混凝土的影响研究

武恩瑞，张宝川，王险峰，刘冠杰，裴继凯, ＊

（1. 山西山大合盛新材料股份有限公司，山西 太原 030006；2. 山西大学混凝土外加剂技术研究中心，山西太原 030006；3. 山西大学化学化工学院，山西 太原 030006）

0 引言

超分散剂一般指高分子聚合物分散剂，其结构中包含不同极性的基团，在分散质中起到锚固吸附作用和分散保持作用

[1]。超分散剂一般用于无机颜料、农药等颗粒的分散，主要有水性型、油性型

[2]和水油通用型。目前的发展趋势是水性型，所以市场上的超分散剂产品主要是水性型和水油通用型

[3]。颜料超分散剂主要分散的是惰性细微颗粒，而本文中要进行尝试分散的是活性水泥颗粒，水泥在水中会发生强烈的水化反应，所以会对超分散剂提出更高的要求。水泥是高性能混凝土的最主要原材料，目前的聚羧酸高性能混凝土是市场上最新一代的混凝土建筑材料，从化学角度讲，它是一种掺杂有机高分子的无机硅酸盐材料，属于化学与土木建筑的交叉学科领域。研究人员对聚羧酸混凝土已做了不少研究。沙建芳等[4]考察了低水泥用量下聚羧酸高性能混凝土的工作性影响因素，骨料的孔隙率是关键因素，赵晶等[5]研究了聚羧酸高性能混凝土的耐久性，聚羧酸高性能混凝土的抗碳化能力和抗氯离子渗透能力更强。徐海源等[6]做了聚羧酸高性能混凝土的表观气泡控制研究，聚羧酸减水剂种类、脱模剂及水灰比均对表观气泡有影响。聚羧酸高性能混凝土中的关键原材料——聚羧酸减水剂是一种梳状接枝共聚物，侧基主要是带电的羧酸基，长侧链是聚醚链，聚羧酸减水剂依靠带电的羧基等基团吸附到水泥颗粒上，然后依靠长侧链的溶剂化层来保持分散稳定。而本文中选择的水油通用型颜料超分散剂是一种直链嵌段高分子聚合物，该类聚合物与聚羧酸减水剂进行复配的研究，目前未见相关报道。复配是一种简单的物理混合，可以获得叠加的效果，是高分子材料应用中非常重要的一种手段。为了获得更好的叠加效应，本研究中选择了该水油通用型超分散剂作为复配物质，与聚羧酸减水剂进行复合，然后应用到高性能混凝土材料中，以期取得好的效果。

1 试验概况

1.1 原料与仪器

聚羧酸减水剂 HS-109（山大合盛，固含量 40%±1%）；油墨超分散剂 XYS-9800（常州新元素，99%，水油通用型润湿分散稳定剂），是一种高分子嵌段共聚物；基准水泥 P·I42.5（中联曲阜），矿物组成见表 1，密度 3.15g/cm3，比表面积 342m2/kg，初凝时间152min，终凝时间 225min，3d 抗压强度 26.2MPa；砂、石材料符合 GB 8076—2008《混凝土外加剂》标准；水泥净浆搅拌机 NJ-160A（无锡建仪）；水相凝胶渗透色谱仪 GPC（Waters 公司，1515 型泵，RI 2414 检测器）。

表 1 基准水泥的矿物组成

1.2 试验方法

（1）匀质性及色谱测试：匀质性按照国标测试，包括外观、固含量和 pH

[7]这三个对后续测试研究很重要的物理指标。使用水相凝胶色谱仪测试聚合物的相对分子量和分子量分布情况。测试条件：流动相为0.1mol/L 硝酸钠水溶液，流速 0.6mL/min，柱温和检测器温度均为 40℃，以聚乙二醇（PEG：400，590，1050，1500，2010，3770，5800，10225）作为标准品。

（2）吸附量测试：将外加剂（掺量占水泥质量的 0.3%）加入到基准水泥水溶液（W/C=3）中，搅拌5min，静置后取上清液，用离心机离心 5min，取样测试，使用凝胶色谱仪测试吸附前和吸附后溶液中外加剂的含量，吸附后的量与吸附前的量之比即为外加剂的吸附率[8]。

（3）水泥净浆流动度：将不同量的 XYS-9800 与聚羧酸减水剂 HS-109 进行复合，然后测试不同水灰比（W/C = 0.27，0.29）下的水泥净浆流动度。

（4）混凝土的工作性和抗压强度测试：包括和易性、流动度、扩展度、流速及抗压强度等[9]。

2 结果与讨论

2.1 超分散剂的匀质性与色谱数据

结果见表 2。

表 2 超分散剂和聚羧酸减水剂的匀质性数据

从表 2 中可以看出，该超分散剂为纯品物质，水溶性很好，为碱性聚合物。

图 1 为使用水相凝胶色谱测试的超分散剂的色谱图，从图中可以看出该超分散剂为单分布的聚合物，相对平均分子量为 Mw=3455，PDI=2.94，为小分子聚合物分散剂。图 2 为聚羧酸减水剂 HS-109 的凝胶色谱图，聚合物分子量明显大于超分散剂的，分布较窄，区别就是有剩余大单体峰存在，相对平均分子量为Mw=27541，PDI=2.51，聚羧酸减水剂的平均分子量是超分散剂的约 8 倍。

图 1 超分散剂 XYS-9800 的色谱图

图 2 聚羧酸减水剂 HS-109 的色谱图

2.2 吸附量

聚羧酸减水剂在水泥混凝土中的作用机理目前公认的是“吸附—分散”过程，通过羧基等负电荷的锚固作用吸附到水泥颗粒表面，然后依靠聚羧酸减水剂的长的聚醚侧链起到空间位阻[10]作用，来达到匀质分散性和长时的工作性。所以测试超分散剂在水泥颗粒上的吸附情况非常必要。超分散剂与聚羧酸减水剂对水泥颗粒的吸附率试验结果见表 3。

从表 3 中可以看出，聚羧酸减水剂的吸附率为56%，而超分散剂在水泥颗粒上的吸附率达到 57%，大于聚羧酸减水剂在水泥颗粒上的吸附，而当二者混合使用时，吸附率明显下降。超分散剂是一种分子量几千的小分子聚合物，相对于分子量为几万的聚羧酸减水剂具有更多的分子数可以参与到水泥颗粒的吸附上。并且从超分散剂的结构来看，它是一种嵌段高分子直链聚合物，吸附基团为重复的嵌段链节，在水泥颗粒上的吸附为环形吸附，会占据更多的吸附点和吸附区域，从而导致其在水泥颗粒上吸附率的下降，与聚羧酸减水剂复合后，由于分子量更小，吸附速率更快，优先占据水泥颗粒上的吸附点，所以也导致了聚羧酸减水剂分子吸附的降低。

表 3 超分散剂与聚羧酸减水剂对水泥颗粒的吸附率

2.3 水泥净浆流动度

水泥净浆流动度是最能直观反映外加剂分散性的一个指标。试验中做了超分散剂的单独测试和复合测试，超分散剂单独加入到水泥净浆中，掺量从水泥质量的0.2% 增加到 2%，没有流动度，只能观察到随着掺量的增加，润湿效果越来越好。超分散剂与聚羧酸减水剂复合添加，聚羧酸减水剂用量为 0.3%，超分散剂用量从0.2% 增加到 1.0%，在两个水灰比下测试的水泥净浆流动度结果见表 4 和图 3。

表 4 不同超分散剂掺量水泥净浆流动度 mm

图 3 不同量超分散剂的水泥净浆流动度曲线

图 3 中聚羧酸减水剂中随着复合超分散剂用量的增加，净浆流动度均得到一定提升，在大水灰比下效果更好。

2.4 混凝土工作性和抗压强度

为了进一步了解超分散剂对聚羧酸高性能混凝土的影响，文中测试了聚羧酸高性能混凝土中掺加超分散剂的工作性和抗压强度。聚羧酸高性能混凝土中聚羧酸掺量为 1.0%，配合比见表 5。表 6 是掺加超分散剂的聚羧酸高性能混凝土的工作性结果。

表 5 聚羧酸混凝土配合比 kg/m3

表 6 混凝土的工作性能结果

从表 6 结果可以看出，超分散剂与聚羧酸减水剂复合后，有减水增益效果，部分替代聚羧酸减水剂，可以显著延长混凝土的保持性，和易性良好，在混凝土中具有一定的消泡效果。测试的掺加超分散剂的聚羧酸混凝土凝结时间及表面状态见表 7，混凝土抗压强度见表 8和图 4。

表 7 混凝土的凝结时间与硬化后的表面状态

从表 7 中可以看出，掺加超分散剂后的聚羧酸混凝土，初终凝时间稍有提前，且表面光洁度更好，硬化后的表面气孔更少。

表 8 不同混凝土各龄期抗压强度 MPa

从图 4 的抗压强度图中可以看出，掺外加剂的混凝土在各龄期均具有比空白混凝土更高的抗压强度，而掺超分散剂的聚羧酸高性能混凝土各龄期抗压强度比聚羧酸高性能混凝土各龄期混凝土抗压强度更好，高约10%～15%，由此可见，超分散剂对聚羧酸高性能混凝土可以起到增强协同效果。

图 4 掺超分散剂聚羧酸混凝土各龄期抗压强度对比

3 结论

（1）超分散剂与聚羧酸减水剂复合使用可以使聚羧酸减水剂在水泥颗粒上的吸附下降 10% 以上。

（2）掺超分散剂 XYS-9800 的聚羧酸高性能混凝土具有更好的流动度保持效果，可作为一种保塑剂使用。

（3）超分散剂 XYS-9800 在聚羧酸高性能混凝土中具有一定的消泡作用，使得硬化后的混凝土具有更好的表面光洁度，同时可以增加混凝土的密实性，使硬化混凝土具有更高的抗压强度。