夏亮亮，倪濤，劉昭洋，王進春，黃海

（四川長安育才建材有限公司，四川 成都 610200）

早強型聚羧酸減水劑的制備及其在大型管道預制構件中的應用

夏亮亮，倪濤，劉昭洋，王進春，黃海

（四川長安育才建材有限公司，四川 成都 610200）

通過分子結構設計，采用自由基共聚的方法，制備具有長側鏈梳狀結構的早強型聚羧酸減水劑，當酸醚比為4∶1，AMPS替代10%丙烯酸時，減水劑具有較好的綜合性能；該早強型減水劑減水率低于普通聚羧酸減水劑，但其早強效果更優(yōu)；用于生產(chǎn)大型管道預制構件時，混凝土的施工性能良好，早期強度發(fā)展快，較好地滿足了施工要求。

早強型；聚羧酸減水劑；制備；性能；混凝土預制構件；管道

0 前言

在大規(guī)模生產(chǎn)預制構件時，為了縮短生產(chǎn)周期，提高模具的利用效率，節(jié)約成本，希望預制構件具有較高的早期強度，以達到快速拆模的要求。因此，開發(fā)減水率高、能夠提高混凝土早期強度的減水劑具有重要意義。

聚羧酸類減水劑具有減水率高、摻量低、優(yōu)異保坍性及對環(huán)境友好等特點[1]，同時聚羧酸類減水劑分子具有可設計性。本文從分子結構設計的角度出發(fā)，設計并合成一種具有長側鏈的梳狀早強型聚羧酸減水劑，并成功地應用在成都飲水工程大型管道混凝土構件中。

1 試驗

1.1 減水劑合成原材料及儀器

甲基烯丙基聚氧乙烯醚（TPEG，相對分子質量4000），工業(yè)級，純度＞90.0%；丙烯酸，純度＞99.0%；巰基丙酸，工業(yè)級，純度＞95.0%；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烯磺酸（AMPS），工業(yè)級，純度＞90.0%；雙氧水，濃度30%；L-抗壞血酸，分析純；氫氧化鈉，分析純；水：去離子水。

蠕動泵，四口燒瓶，攪拌器，恒溫油浴鍋等。

1.2 早強型聚羧酸減水劑的合成工藝

將一定量的TPEG聚醚大單體與去離子水投入帶有溫度計、滴加裝置及攪拌器的四口燒瓶內(nèi)，開啟攪拌器，同時升溫至預定溫度，攪拌均勻后加入雙氧水，10 min后分別滴加由丙烯酸、AMPS、去離子水組成的A料及由巰基丙酸、L-抗壞血酸、去離子水組成的B料。滴加過程均勻進行，且B料比A料多滴加30 min，待B料滴加完畢后，繼續(xù)保溫反應1 h，待溫度降至室溫，加NaOH將pH值中和至5.5左右，并通過去離子水稀釋得到固含量為40%的聚羧酸減水劑。

1.3 性能測試

1.3.1 試驗材料及儀器設備

水泥：峨勝P·O42.5R；粉煤灰：Ⅰ級；砂：中砂，細度模數(shù)2.7；石子：碎石，粒徑5～25 mm連續(xù)級配；水：自來水；普通聚羧酸減水劑：GK-3000，四川長安育才建材有限公司，固含量40%。

水泥凈漿攪拌機；混凝土實驗攪拌機；混凝土蒸汽養(yǎng)護箱；標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱；數(shù)字式壓力試驗機。

1.3.2 測試方法

水泥凈漿流動度參照GB 8077—2012《混凝土外加劑勻質性試驗方法》進行測試，水膠比為0.29；混凝土坍落度、減水率、抗壓強度參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》及GB 8076—2008《混凝土外加劑規(guī)范》進行測試。

混凝土試塊蒸汽養(yǎng)護機制：常溫靜停2 h，后放入蒸汽養(yǎng)護箱，以10～15℃/h的升溫速率升溫至60℃，恒溫養(yǎng)護6 h，然后自然冷卻至室溫，脫模后進行抗壓強度測試。

2 結果與討論

2.1 酸醚比對減水劑分散性的影響

聚羧酸減水劑一般由小單體與醚類大單體進行自由基共聚而成，產(chǎn)物包括大單體共聚物、大單體均聚物、小單體共聚物及小單體均聚物，酸醚比的變化會影響聚合物主鏈長度及側鏈密度[2]，最終影響減水劑的性能。本實驗中，合成不同酸醚比的聚羧酸減水劑，利用水泥凈漿測試其凈漿分散性能，減水劑折固摻量為0.1%，試驗結果如表1所示。

表1 酸醚比對合成聚羧酸減水劑分散性的影響

由表1可以看出，隨著酸醚比增加，減水劑對水泥凈漿的分散能力先增加后減小，當酸醚比為4.0∶1.0時，減水劑的分散性能最好，且凈漿分散保持性也較好。在一定范圍內(nèi)，酸醚比的增加，導致聚羧酸減水劑分子結構中吸附基團比例增加，對水泥顆粒的有效吸附量增加，故凈漿分散能力提高；隨著酸醚比進一步增大，分子結構中含聚醚的長側鏈密度降低，使得空間位阻作用減弱[3]，造成水泥凈漿分散能力降低。

2.2 AMPS用量對減水劑性能影響

用AMPS作為合成小單體部分替代丙烯酸，在保持聚羧酸減水劑分子結構中吸附基團數(shù)量密度不變的情況下，以減弱羧酸根對Ca2+的螯合作用[4]，抑制緩凝效應。不同AMPS替代量（以物質的量計）合成聚羧酸減水劑對水泥凈漿流動度及混凝土早期強度的影響如表2所示。

表2 AMPS用量對合成聚羧酸減水劑性能的影響

由表2可見，隨著AMPS替代丙烯酸的量增加，水泥凈漿初始分散能力逐漸減小，但減小幅度并不大；混凝土1 d抗壓強度隨AMPS用量的增加，呈先提高后降低趨勢，當AMPS替代10%的丙烯酸時，混凝土的1 d抗壓強度最高。這是由于水泥水化過程中，—SO3-與氫氧化鈣反應，加速C3S的水化，提高早期水泥塊中針狀鈣礬石的數(shù)量[5]，從而提高早期強度。

2.3 早強型聚羧酸減水劑與普通聚羧酸減水劑性能對比

將合成的早強型聚羧酸減水劑與普通聚羧酸減水劑GK-3000的性能進行對比，考察二者的分散性、混凝土蒸養(yǎng)強度、標養(yǎng)早期強度，試驗結果如表3所示。

表3 早強型聚羧酸減水劑與普通聚羧酸減水劑的性能比較

由表3可知，同樣摻量時早強型聚羧酸減水劑對水泥凈漿初始流動度低于普通聚羧酸減水劑，這是由于普通聚羧酸減水劑分子中側鏈較短，且側鏈密度較高，空間位阻效應明顯[6]，水泥顆粒分散較好，故其減水率高。然而，無論是標養(yǎng)早期強度，還是蒸養(yǎng)強度，早強型聚羧酸減水劑對混凝土的早強效果均優(yōu)于普通聚羧酸減水劑，其主要原因是，早強型聚羧酸減水劑分子結構中，側鏈更長而主鏈相對較短，分子的形狀由傳統(tǒng)的梳形變成倒“T”形，側鏈之間的距離也較大[7]。在具有很強的空間位阻分散作用的同時，長的聚醚類側鏈可以讓水分進入到水泥顆粒中，保證水泥的正常水化；同時，早強型聚羧酸分子的側鏈較長，改善了共聚物分子在水泥顆粒表面的吸附狀態(tài)，從而促使細小的鈣礬石晶體生成[8]，加速混凝土早期強度的發(fā)展。

3 早強型聚羧酸減水劑在大型管道預制構件中的應用

3.1 試驗要求

根據(jù)施工方要求，管道內(nèi)徑3 m，厚度約為15 cm，長度5 m，混凝土強度等級為C60，出機坍落度（180±10）mm，30 min坍落度保持值不低于160 mm?；炷亮W性能考核指標為：蒸養(yǎng)強度不低于35 MPa，標養(yǎng)1 d強度不低于25 MPa，3 d強度不低于45 MPa。

3.2 試驗材料

水泥：利森P·O52.5R；粉煤灰：Ⅰ級；砂：中砂，細度模數(shù)2.9，含泥量0.3%；石：碎石，5～25 mm連續(xù)級配，含泥量0.1%；早強型聚羧酸減水劑，四川長安育才建材有限公司生產(chǎn)。

3.3 試驗方法

C60混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（減水劑）=390∶50∶729∶1140∶141∶3.96，砂率為39%，水灰比為0.32。參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》，抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm× 150 mm。

試驗混凝土采用臥式強制攪拌機進行攪拌，攪拌時間為3 min，混凝土試塊成型振動0.5～1 min。蒸養(yǎng)制度為：混凝土成模后，25℃靜停4 h，3 h升溫至60℃，恒溫6 h，降溫2 h至25℃拆模。標養(yǎng)混凝土試件分別養(yǎng)護1 d、3 d，測試試塊的抗壓強度。

3.4 試驗結果（見表4）

表4 混凝土應用性能試驗結果

由表5可見，制備的早強型聚羧酸減水劑對C60混凝土試塊無論標養(yǎng)還是蒸養(yǎng)，其早期強度均較高，且混凝土狀態(tài)滿足施工方要求，經(jīng)過試生產(chǎn)，管道內(nèi)外壁平整，氣孔很少，拆模后管道無開裂現(xiàn)象。表明合成的早強型聚羧酸減水劑具有較好的早強效果，能夠較好的應用于預制構件混凝土的生產(chǎn)。

4 結語

（1）通過分子結構設計合成了早強型聚羧酸減水劑，試驗結果表明：隨著酸醚比的增大，其水泥凈漿分散性呈先增大后減小，酸醚比為4∶1時，減水劑的分散效果最佳；隨著AMPS替代丙烯酸量的增加，減水劑的分散性能逐漸減小，而摻減水劑混凝土的1 d抗壓強度隨AMPS用量的增加，呈先提高后降低的趨勢，當AMPS替代10%的丙烯酸時，混凝土的1 d抗壓強度最高。

（2）該早強型聚羧酸減水劑減水率雖低于普通型聚羧酸減水劑，但其更有利于混凝土早期強度的發(fā)展。

（3）在制備大型管道預制構件過程中，早強型聚羧酸減水劑可滿足施工方要求，工作狀態(tài)及力學性能指標均達到較好的效果。因此，該早強型聚羧酸減水劑可更廣泛地應用于混凝土預制構件生產(chǎn)。

[1]杜志芹，陳國新，祝燁然，等.早強型聚羧酸系減水劑的制備與性能研究[J].混凝土，2011（5）：94-96.

[2]李崇智，劉駿超，王琴，等.酸醚比對聚羧酸系減水劑組成與性能的影響研究[J].新型建筑材料，2013（12）：80-84.

[3]劉志華.不同羧基密度與功能基聚羧酸減水劑的合成與性能研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2013.

[4]馬保國，譚洪波.不同減水劑對水泥水化的作用機理研究[J].混凝土與水泥制品，2007（5）：6-8.

[5]陳明鳳，徐麗娜，彭家惠，等.聚羧酸合成配方的確定[J].化學建材，2004（11）：32-35.

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[7]逄建軍，魏中原.早強型聚羧酸系減水劑的常溫合成及性能研究[J].混凝土世界，2016（3）：80-83.[8]杜欽.聚羧酸減水劑的早強性能及其機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

Preparation of early-strength polycarboxylate superplasticizer and application in big pipeline precast component

XIA Liangliang，NI Tao，LIU Zhaoyang，WANG Jinchun，HUANG Hai
（Sichuan ChangAn YuCai Building Materials Co.Ltd.，Chengdu 610200，China）

A comb-like early-strength polycarboxylate superplasticizer with length side chains was prepared by designing the molecular structure and free radical copolymerization.The superplasticizer has good integrated performance when acid/ether ratio and replacement rate of AMPS to AA were 4∶1 and 10%，respectively.Compared to conventional polycarboxylate superplasticizer，the early-strength superplasticizer had more obvious early-strength effect although lower water reducing rate.As early-strength polycarboxylate superplasticizer was applied big pipeline precast component，the concrete had good workability and early-strength effect that met the construction requirement very well.

early-strength，polycarboxylate superplasticizer，preparation，performance，concrete precast component，pipeline

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）11-0093-03

2015-04-25；

2015-05-25

夏亮亮，男，1988年生，四川成都人，碩士，主要從事混凝土外加劑研發(fā)及應用研究。