实验解析低标号混凝土用减水剂的制备与应用

       随着我国国民经济的持续发展，随之带来基础工业建设与建筑业对混凝土的需求量增加。为了解决混凝土泌水，离析和易性等等，研究人员研发出了适应各种混凝土症状的外加剂，减水剂就是其中的一种。减水剂因具有分散性能高、适用范围广、坍落度损失小、绿色环保等优点而倍受人们的关注。但减水剂对砂石料、级配要求高，使得它大多在高标号混凝土中使用，这大大限制了高性能减水剂在低标号混凝土中的推广应用。为此，研究开发了应用在低标号混凝土中的高性能减水剂，其对低标号混凝土用含泥量高的砂石料、设计级配要求不高有很好适应性，坍落度保持性和施工性优于脂肪族减水剂。

　　1 试 验

　　1.1 主要原材料

　　1.1.1 合成原材料

　　甲基丙烯酸、聚乙二醇单甲醚800、聚乙二醇单甲醚1000、聚乙二醇单甲醚1200、聚乙二醇单甲醚2000、对甲苯磺酸、马来酸二甲酯、对苯二酚、吩噻嗪、过硫酸铵、巯基丙酸、30%的氢氧化钠溶液：均为工业级。

　　1.1.2 混凝土试验用材料

　　水泥：扬子 P·O42.5 水泥;粉煤灰：Ⅱ级;中砂：细度模数2.6;细砂：细度模数 1.8;大石子：10 ～20 mm;小石子：5 ～10mm。

　　1.2 主要仪器和设备

　　Waters 凝胶渗透色谱仪、坍落度测试设备1 套、SHB-ⅢS 循环水式多用真空泵、QHJ756B 强力恒速搅拌机、5 L 智能升降油浴锅。

　　1.3 试验方法

　　1.3.1 大单体的制备

　　在装有温度计、油浴锅、调速搅拌器、真空装置的三口烧瓶中加入按配方称量的聚乙二醇单甲醚、甲基丙烯酸、对甲苯磺酸、对苯二酚、吩噻嗪，于设定的温度、真空度下反应到佳时间，然后降温至50 ℃出料，即得聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯混合物。

　　1.3.2 减水剂的制备

　　在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝管及滴加装置的四口烧瓶中，加入配方量的软水，然后搅拌并水浴加热至80～83℃，按配方量滴加上述制备的大单体、巯基丙酸组成的水溶液([ 180±10)min 内滴完]，同时滴加引发剂过硫酸铵水溶液([ 210±10)min 内滴完]。引发剂液滴完之后保温 1 h，然后降温至50 ℃以下，用 30%氢氧化钠溶液调节pH 值至7，即得40%的减水剂。

　　1.3.3 性能测试方法

　　按JC 474—2001《混凝土泵送剂》和JG/T 223—2007《系高性能减水剂》测试混凝土的性能。

　　2 结果与讨论

　　分别进行了MPEG 分子质量、马来酸二甲酯用量、链转移剂用量和过硫酸铵用量对C30 混凝土性能影响的试验。试验混凝土配合比(kg/m3)为：m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(中砂)∶m(大石子)∶m(小石子)∶m(外加剂∶m(水)=255∶85∶770∶810∶260∶4.42∶158。

　　2.1 MPEG 分子质量对 C30 混凝土性能的影响

　　可以看出，低分子质量的MPEG 与高分子质量的MPEG 相比，掺合成减水剂混凝土的30 min 坍落度损失小，但掺高分子质量MPEG 合成减水剂的混凝土初始扩展度、抗压强度要比掺低分子质量的大。其原因是，在醇酸质量比相同的情况下，低分子质量MPEG 合成的减水剂羧基含量比较慢，所以坍落度经时损失小。又由于低分子质量的MPEG 引气性比高分子质量的MPEG 大，所以低分子质量的MPEG 强度比高分子质量的MPEG 要低。

　　2.2 马来酸二甲酯用量对 C30 混凝土性能的影响

　　随着马来酸二甲酯用量的增加，掺合成减水剂混凝土的30 min 坍落度、扩展度逐渐增大，且在用量为 2.0%、3.0%时，30 min 扩展度比初始的还大;但在用量为4.0%时，初始、30 min 坍落度、扩展度又有下降的趋势。原因是马来酸二甲酯在强碱性条件下，发生酰基碳上的亲核取代反应，导致甲氧基脱离，形成羧基。而羧基对水泥有分散作用，所以随着马来酸二甲酯用量的增加，30 min 坍落度、扩展度逐渐增大。在用量为4.0%时，马来酸二甲酯用量的增加，导致减水剂的羧基密度下降，从而在相同用水量的情况下，混凝土初始坍落度、扩展度减小[4]。因此，马来酸二甲酯用量在3.0%时，混凝土的综合性能佳。

　　2.3 链转移剂用量对 C30 混凝土性能影响

　　可以看出，随着链转移剂用量增加，掺合成减水剂混凝土的初始以及30 min 坍落度都先增大后减小，而抗压强度相差不大。链转移剂用量少，减水剂的分子质量偏大，分散性能差，分散保持性不佳;而链转移剂用量过大，则减水剂的分子质量偏小，分散保持性下降。当链转移剂用量为0.70%，混凝土综合性能佳。

　　2.4 过硫酸铵用量对 C30 混凝土性能的影响

　　可以看出，随着过硫酸铵用量的增加，掺合成减水剂混凝土的初始、30 min 坍落度随着增大。这是因为过硫酸铵用量增加，提高了单体的转化率，主峰面积所占比例增大，使得混凝土的初始和30 min 坍落度也增大。但过硫酸铵用量大时，混凝土的综合性能趋于平稳，所以过硫酸铵用量以1.4%佳。

　　3 成本分析

　　在某混凝土搅拌站对采用本研究合成的减水剂和脂肪族减水剂进行了C20、C25 混凝土试验及成本分析。某搅拌站目前使用的脂肪族减水剂为 1800 元/t，本研究开发的减水剂为 2300 元/t，扬子 P·O42.5 水泥为 380 元/(t 2011年12 月价格)，粉煤灰150 元/(t 2011 年12 月价格)。试验C20、C25 混凝土的配合比，混凝土性能测试结果。

　　根据混凝土配合比，可计算出使用不同减水剂的混凝土成本差值。C20 混凝土采用减水剂，在成本上比采用脂肪族减水剂减少：(177×0.38+55×0.15+3.4×1.8)-(167×0.38+65×0.15+3.4×2.3)=0.60 元/m3;C25 混凝土采用减水剂，在成本上比采用脂肪族减水剂减少：(231×0.38+35×0.15+4.1×1.8)-(221×0.38+45×0.15+4.1×2.3)=0.25 元/m3。计算结果表明，C20、C25 混凝土采用本研发的减水剂时，在降低成本上较脂肪族减水剂有优势，特别是在水泥价格较高时。如水泥价格为455 元/t 时，配制C20 混凝土可节省原材料成本 1.25 元/m3，配制C25 混凝土可节省原材料成本0.90 元/m3。

　　研发的减水剂在C20、C25 混凝土的试验中，其30 min 坍落度、扩展度优于采用脂肪族减水剂的。且当C20、C25 混凝土采用减水剂时，可减少水泥用量10 kg，而同龄期的混凝土抗压强度基本相当。

　　4 结 语

　　(1) 在醇酸质量比相同的情况下，采用低分子质量MPEG合成的减水剂的保坍性好，但掺减水剂混凝土的抗压强度较采用高分子质量MPEG 时要低。

　　(2) 马来酸二甲酯、巯基丙酸、过硫酸铵用量分别为3.0%、0.70%、1.4%时，制备的减水剂综合性能良好。

　　(3) 将本研究合成的减水剂与脂肪族减水剂应用于低标号混凝土的对比试验结果表明，研发的减水剂具有良好的性能，且在降低低标号混凝土成本上比采用脂肪族减水剂有优势。