黃文明，陳明中，魏運(yùn)權(quán)

（湖北恒利建材科技有限公司，湖北 荊州 434000）

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一種高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型減水劑對(duì)混凝土性能的影響

黃文明，陳明中，魏運(yùn)權(quán)

（湖北恒利建材科技有限公司，湖北 荊州 434000）

本文研究了經(jīng)分子設(shè)計(jì)合成的 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸系減水劑對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)表明，HL-HES聚羧酸減水劑在較小摻量下，具有超高的減水率，很好的分散性、保塑性。該減水劑對(duì)不同水泥具有較強(qiáng)適應(yīng)性，對(duì)混凝土的早期、后期抗壓強(qiáng)度具有較好的影響。與其他種類減水劑進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，摻用 HL-HES 減水劑的混凝土較普通高效減水劑具有更加優(yōu)良的工作性能。該減水劑具有較高的社會(huì)價(jià)值及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

聚羧酸減水劑；高強(qiáng)度；水泥；混凝土

0 引言

聚羧酸高效減水劑具有低摻量、高減水率、低坍落度損失，能提高混凝土的工作性，并較好地滿足工程施工要求等特點(diǎn)，已成為提高混凝土性能的外加劑，也是目前外加劑產(chǎn)品中的研究熱點(diǎn)[1-3]。商品混凝土是一種通過(guò)膠凝材料將集料與填料按一定比例混合后加水凝固硬化而具有膠結(jié)能力并具備一定強(qiáng)度的建筑材料[4]。隨著高層建筑、高標(biāo)準(zhǔn)橋梁、高等級(jí)公路等一系列大型工程對(duì)混凝土的需求量增加，商品混凝土已經(jīng)成為混凝土生產(chǎn)的一種主要形式，商品混凝土主要由水泥、摻合料、石、砂、水、外加劑等原材料組成，其中水泥是構(gòu)成混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)，也是混凝土原材料中成本最高的一個(gè)，生產(chǎn)水泥帶來(lái)的環(huán)境污染也最嚴(yán)重。然而現(xiàn)狀商品混凝土中通常都有 20%～30% 的水泥由于沒有水化而只起填充作用[5]，存在嚴(yán)重的能源浪費(fèi)與因生產(chǎn)水泥而引起的環(huán)境污染現(xiàn)象。

本文研究用分子設(shè)計(jì)的理念，設(shè)計(jì) HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)，在一定條件下合成具有梳形結(jié)構(gòu)的減水劑，在以保證混凝土具有高強(qiáng)度性能為基礎(chǔ)的同時(shí)，又具有高效減水率，更能深層次地分散混凝土中的水泥顆粒并充分激發(fā)混凝土中只起填充作用的水泥的功效，減少混凝土中未水化的水泥組分，使單位混凝土中水泥用量大幅減低，從而大幅度降低因生產(chǎn)水泥引起的環(huán)境污染，具有明顯的節(jié)能環(huán)保作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原材料及儀器設(shè)備

（1）原材料：丙烯基醇聚氧乙烯醚：工業(yè)級(jí)：江蘇省海安石油化工；甲基丙烯酸：工業(yè)級(jí)，南京景文化工有限公司；甲基丙烯酰胺：工業(yè)級(jí)，鄭州瑞博化工有限公司；丙烯酰胺基甲基丙基磺酸鈉：工業(yè)級(jí)：成都思?；び邢薰荆豁樁∠┒狒禾旖虿澈；?；巰基乙酸：化學(xué)純，天津樂泰化工；氫氧化鈉：工業(yè)級(jí)，市售；維生素 C：工業(yè)級(jí)，市售；過(guò)硫酸銨；工業(yè)級(jí)，市售；亞硫酸氫鈉；工業(yè)級(jí)，市售；三峽牌 42.5 級(jí)水泥；華新牌 42.5 級(jí)水泥；京蘭牌 42.5 級(jí)水泥；金塔牌 42.5 級(jí)水泥。

（2）HL-8000A 聚羧酸減水劑、HL-8000B 聚羧酸減水劑、HL-8000C 聚羧酸減水劑、FDN-HES 高效減水劑：湖北恒利建材科技有限公司。

（3）儀器設(shè)備：電熱恒溫水浴鍋：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；電子分析天平：上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司；掃描電鏡：中科科儀股份有限公司；壓力試驗(yàn)機(jī)：浙江辰鑫機(jī)械設(shè)備有限公司；振實(shí)臺(tái)：浙江辰鑫機(jī)械設(shè)備有限公司；含氣量測(cè)定儀：Forney Inc USA；強(qiáng)制式單臥砼攪拌機(jī)：浙江辰鑫機(jī)械設(shè)備有限公司；NJ-160B 水泥凈漿攪拌機(jī)：河北科析儀器設(shè)備有限公司。

1.2 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑的設(shè)計(jì)

聚羧酸型減水劑的分子結(jié)構(gòu)決定其性能，分子中應(yīng)該具有羥基、羧基、高密度磺酸基、酰胺基、醚基、非極性短主鏈、極性長(zhǎng)側(cè)鏈等活性基團(tuán)[6-12]。羥基和羧基具有緩凝作用，羥基的數(shù)目越多緩凝效果越明顯，羧基和磺酸基為陰離子，具有減水作用和保塑作用[13-14]；酰胺基具有引氣作用、分散和緩凝作用；醚基具有一定的引氣作用、分散和增穩(wěn)作用[15-19]；結(jié)合相應(yīng)基團(tuán)對(duì)于減水劑的特性，本研究選用丙烯酰胺基甲基丙基磺酸鈉、順丁烯二酸酐、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺等化合物為可聚合小分子原料，選用丙烯基醇聚氧乙烯醚為可聚合大分子單體，該化合物含有聚氧乙烯基，在減水劑的分子中能起到空間位阻效應(yīng)[6]；合適的支鏈長(zhǎng)度能使減水劑保持很好的流動(dòng)性；使減水劑在小摻量的情況下保證產(chǎn)品在具有高效減水率的同時(shí)，又能更深層次地分散混凝土中的水泥顆粒并充分激發(fā)混凝土中只起填充作用的水泥的功效，減少混凝土中未水化的水泥組分，使單位混凝土中水泥用量大幅減低[15,17]。根據(jù) HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑的特性與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，本研究設(shè)計(jì)的減水劑分子機(jī)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑的分子結(jié)構(gòu)

1.3 減水劑合成方法

將帶有溫度計(jì)、機(jī)械攪拌、冷凝回流裝置、恒壓滴液漏斗的潔凈四口燒瓶固定于恒溫加熱裝置中。向反應(yīng)瓶中加入一定量的水，開啟攪拌，加入一定量的大分子單體丙烯基醇聚氧乙烯醚，體系升溫至一定溫度時(shí)恒溫?cái)嚢?5～15min，加入順丁烯二酸酐，升溫至一定溫度時(shí)恒溫?cái)嚢?10～30min，再分批次滴加一定量的過(guò)硫酸銨與亞硫酸氫鈉水溶液、巰基乙酸和甲基丙烯酸的水溶液、維生素 C 和甲基丙烯酰胺水溶液。丙烯酰胺基甲基丙基磺酸鈉水溶液，滴加完畢后，保持反應(yīng)液溫度 40～80℃ 攪拌反應(yīng) 1～2h，繼續(xù)保溫 2～5 小時(shí)。調(diào)節(jié)反應(yīng)液溫度小于 50℃，加入氫氧化鈉水溶液，調(diào)節(jié)反應(yīng)液 pH=6.5～7.5 之間，得到 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑成品。

1.4 測(cè)試方法

水泥凈漿流動(dòng)度按照 GB/T 8077－2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；配合比、混凝土減水率、新拌混凝土坍落度、1h 混凝土坍落度、混凝土抗壓強(qiáng)度、泌水率比、壓力泌水率比、28d 收縮率比等按照 GB8076—2008《混凝土外加劑》、TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》進(jìn)行操作；水泥凈漿凝結(jié)時(shí)間按照 GB/T1346—2001《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安全性檢驗(yàn)方法》測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 減水劑摻量的研究

為了研究 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑摻量對(duì)其水泥凈漿流動(dòng)度的影響，選用三峽牌 42.5 級(jí)水泥進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖 2 所示（按折固含量占水泥質(zhì)量的百分比）。

圖 2 摻量與凈漿流動(dòng)度的關(guān)系

由圖 2 可知，隨著減水劑摻量的不斷增長(zhǎng)，水泥凈漿流動(dòng)度也相應(yīng)增大。但摻量達(dá)到一比例之后，水泥凈漿流動(dòng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，趨于平穩(wěn)。這是由于隨著 HL-HES 減水劑摻于水泥之中，減水劑的分子便迅速地吸附于水泥顆粒表面。隨著摻量的增加，水泥顆粒表面減水劑分子的數(shù)量就相應(yīng)增加，水泥顆粒之間就會(huì)有較強(qiáng)的靜電效應(yīng)和空間位阻效應(yīng)，這就促使水泥顆粒被更深層次地分散并充分被水化，激發(fā)了混凝土中大約 20%～30% 只起填充作用的水泥的功效，表現(xiàn)為水泥凈漿流動(dòng)度也相應(yīng)的增加。

當(dāng)水泥顆粒表面吸附減水劑分子的數(shù)量達(dá)到飽和后，繼續(xù)增加減水劑的摻量，水泥凈漿流動(dòng)度的增大趨勢(shì)不明顯，如果繼續(xù)增加減水劑的摻量，就會(huì)出現(xiàn)凈漿泌水現(xiàn)象，同時(shí)也增加了制備混凝土的成本。

因此 HL-HES 減水劑的摻量可確定在 0.16%～0.32% 之間，具有較好的水泥凈漿流動(dòng)度、分散效果與保塑性。

2.2 減水劑對(duì)水泥適應(yīng)性的研究

為了研究 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑對(duì)水泥的適應(yīng)性，本研究選用不同品牌的水泥進(jìn)行試驗(yàn)，為了更有效地說(shuō)明 HL-HES 減水劑的適應(yīng)性，本研究確定減水劑的摻量（按折固含量占水泥質(zhì)量的百分比）分別為 0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32% 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。

由表 1 可知，本實(shí)驗(yàn)所采用的 5 個(gè)摻量、5 種水泥，在按 0.16%～0.32% 之間摻用 HL-HES 減水劑的新拌水泥的凈漿流動(dòng)性好，減水效果明顯，有很好的分散效果與保塑性。1h凈漿流動(dòng)性變化波動(dòng)較小，損失很小，因此，本研究合成的減水劑對(duì)水泥有很好的適應(yīng)性。

2.3 減水劑凈漿流動(dòng)度的研究

為了研究 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑與同類型減水劑的凈漿流動(dòng)度的關(guān)系，本研究選用不同品種的減水劑進(jìn)行試驗(yàn)，為了更有效地說(shuō)明減水劑與凈漿流動(dòng)度的關(guān)系，本研究確定減水劑的摻量（按折固含量占水泥質(zhì)量的百分比）分別為 0.16%、0.20%、0.24%、0.28%、0.32% 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

由表 2 可知，本實(shí)驗(yàn)所采用的 5 個(gè)摻量、5 種減水劑，在按 0.16%～0.32% 之間摻用減水劑的新拌水泥的凈漿流動(dòng)性，以摻本研究減水劑的凈漿流動(dòng)性最好，減水效果優(yōu)越，有較好的分散效果與保塑性，1h 凈漿流動(dòng)性變化波動(dòng)較平穩(wěn)，損失很小。

表 1 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型減水劑對(duì)水泥適應(yīng)性

2.4 減水劑在混凝土中的應(yīng)用

混凝土配合比參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB8076—2008《混凝土外加劑》相關(guān)規(guī)定要求。

2.4.1 原材料

水泥采用華新牌 42.5 級(jí)，華新水泥股份有限公司生產(chǎn)；Ⅱ級(jí)粉煤灰，荊州國(guó)電廠生產(chǎn)；S95 級(jí)礦粉；細(xì)度模數(shù)為2.6～2.8 的中砂；4.75～26.5mm 連續(xù)級(jí)配的石灰石碎石，拌合用水為自來(lái)水。

2.4.2 混凝土坍落度、減水率和含氣量的研究

為了研究 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型聚羧酸減水劑的混凝土坍落度、減水率和含氣量，減水劑的摻量（按折固含量占水泥質(zhì)量的 0.2%），測(cè)試結(jié)果如表 3 所示。

由表 3 可知，與空白試樣相比，摻入 HL-HES 減水劑的混凝土減水率可達(dá) 30% 以上，1h 經(jīng)時(shí)混凝土坍落度基本無(wú)損失，混凝土含氣量為 2.4%～2.5%。說(shuō)明了本研究產(chǎn)品具有明顯的減水效果和保塑性，含氣量低并且處于新拌混凝土含氣量要求值的范圍內(nèi)，確?；炷恋牧鲃?dòng)性好。

表 2 不同種類減水劑與凈漿流動(dòng)度的關(guān)系

表 3 混凝土坍落度、1h坍落度、減水率和含氣量

2.4.3 新拌混凝土的抗壓強(qiáng)度

本試驗(yàn)混凝土按照 GB8076－2008《混凝土外加劑》的相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。

表 4 混凝土抗壓強(qiáng)度

由表 4 所示，與空白試件相比，摻入 HL-HES 減水劑的混凝土抗壓強(qiáng)度有非常明顯地提高，本研究產(chǎn)品不僅具有高的減水率，而且還具有早期發(fā)展強(qiáng)度快、后期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)良好等特點(diǎn)。

2.4.4 對(duì) C50 混凝土的影響

根據(jù)商品混凝土的實(shí)際情況，本研究采用 C50 混凝土代表高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，采用商品混凝土常用的配合比探討不同減水劑對(duì)混凝土工作性及強(qiáng)度的影響。根據(jù)一般條件的施工工程對(duì)混凝土的技術(shù)要求 C50 混凝土的指標(biāo)為：初始坍落度 200～220mm，擴(kuò)展度 500～550mm，容重 2430kg/m3，含氣量 3% 左右；7d 強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 90%。

本試驗(yàn)混凝土按照 GB8076－2008《混凝土外加劑》的相關(guān)規(guī)定，擬定配合比如表 7 所示。配合比設(shè)計(jì)方法為：以Al、A2 和 A3 為第一對(duì)照組，其中 A1 為基準(zhǔn)配合比，采用普通高效減水劑進(jìn)行試驗(yàn)；A2 與 A3 為對(duì)比配合比，與 A1相比，A2 與 A3 均保持砂率與設(shè)計(jì)容重不變，但是 A2 減少水泥用量 40kg/m3，減少用水量 5kg/m3；A3 減少水泥用量60kg/m3，減少用水量 5kg/m3，A2 與 A3 均采用 HL-HES 減水劑進(jìn)行試驗(yàn)。相應(yīng)的，表中所示的 A4、A5 與 A6 為第二對(duì)照組，A7、A8 與 A9 為第二對(duì)照組變化規(guī)律與第一對(duì)照組一致?；炷劣绊懪浜媳热绫?5 所示，強(qiáng)度及工作性能數(shù)據(jù)如表 6 所示。

表 6 對(duì) C50 混凝土影響配試驗(yàn)結(jié)果

在保證混凝土的工作性能基本一致的前提下，在上述試驗(yàn)的結(jié)果表 6 中，第一對(duì)照組的強(qiáng)度數(shù)據(jù)情況為配合比 A2 的各齡期強(qiáng)度都與配合比 A1 的強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致，且強(qiáng)度差值較小，到了較長(zhǎng)齡期時(shí)兩個(gè)配合比的強(qiáng)度數(shù)據(jù)基本一致；配合比 A3 各齡期強(qiáng)度數(shù)據(jù)雖小于比配合比 A1，但是差值小于4MPa，屬正常變化。第二對(duì)照組的情況與第一對(duì)照組的數(shù)據(jù)變化一致。

摻加了 15% 粉煤灰的第三對(duì)照組強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本與前二組變化趨勢(shì)一致，也證明了本研究產(chǎn)品在大摻量礦物摻合料混凝土中的適應(yīng)性。

表 6 中的每一組混凝土從 28d 到 56d 之間的強(qiáng)度都在不間斷的發(fā)展，而 A1 與 A4 這兩個(gè)配比的混凝土中至少有將近40kg 的水泥沒有充分水化，因此摻用本研究產(chǎn)品在節(jié)約成本方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

2.5 減水劑對(duì)混凝土密實(shí)性的影響

通過(guò)硬化水泥凈漿的掃面電鏡的測(cè)試試驗(yàn)，觀察空白試件、摻入普通高效減水劑試件和摻入 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型減水劑試件的空隙分布和孔徑大小的情況，結(jié)果如圖 3、圖4、圖 5 所示。

圖 3 空白試件

圖 4 普通高效減水劑試件

圖 5 本研究減水劑試件

由圖 3 可知，在空白試件中存在著尺寸不一，分布不均勻的空隙，這樣的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水泥凈漿強(qiáng)度有一定的降低作用，對(duì)其耐久性也會(huì)有不良影響。由圖 4 可知，摻入普通高效減水劑的試件，有明顯的細(xì)小孔隙，這樣的孔隙對(duì)水泥凈漿的密實(shí)性有一定的降低作用，也不利于混凝土的耐久性。由圖 5 可知，摻入 HL-HES 減水劑的試件，有分布均勻的細(xì)小孔隙存在，并且孔隙的數(shù)量適中，這樣的孔隙對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)度有較好的影響，對(duì)其密實(shí)性有良好的作用。由于尺寸效應(yīng)的存在，硬化水泥凈漿的強(qiáng)度有所提高，對(duì)耐久性有一定的益處，從而提高了混凝土的工作性能。

3 結(jié)論

（1）本研究合成的 HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型具有較好的工作性能，在較小的摻量下，具有較好的分散性和保塑性，減水率高，早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度高。研究產(chǎn)品具有明顯的高強(qiáng)性能。（2）在以 C50 為代表的高強(qiáng)度等級(jí)混凝土減少占膠凝材料總量約 8.5% 的水泥（約 30kg）后，采用 HLHES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型減水劑配制的混凝土工作性能優(yōu)秀。研究產(chǎn)品具有明顯的節(jié)能效果，也因節(jié)約水泥用量而具有明顯的環(huán)保作用。（3）HL-HES 高強(qiáng)節(jié)能環(huán)保型減水劑有利于混凝土拌合物中的水泥、粉煤灰等粉料和砂、石骨料分散性的提高，水泥水化程度的增進(jìn)，提高混凝土的均質(zhì)性，從而能夠改良了混凝土的抗碳化、抗?jié)B透和抗凍性，具有廣泛的應(yīng)用性與價(jià)值性。

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［通訊地址］湖北省荊州市沙市農(nóng)場(chǎng)窯灣分場(chǎng)農(nóng)技路 2 號(hào)（434000）

Effect on the properties of concrete by a kind of high-strength energy-saving and environmental friendly water reducer

Huang Wenming, Chen Mingzhong, Wei Yunquan
(Hu Bei Heng Li Building Materials Technology Co.,Ltd., Hubei Jingzhou 434000)

This paper studied the molecular design and synthesis of HL-HES high-strength energy-saving environmentally friendly polycarboxylate water reducing agent on the properties of concrete. HL-HES poly carboxylic acid tests showed that the material has ultrahigh water reducer rate in smaller dosage, meanwhile it has very well dispersibility and plastic. The water reducer has strong adaptability with different kinds of cement, which has a good effect in the early and late compressive strength of concrete. Compared with other types of water reducer test, the concrete mixed with HL-HES water reducer has more excellent work performance than ordinary high effi ciency water reducer. The water reducer has high social value and economic value.

polycarboxylate-type water reducer; high performance; cement; concrete

黃文明，男，中國(guó)重慶酉陽(yáng)人，工程師，于湖北恒利建材科技有限公司從事混凝土外加劑的研究工作。