劉興榮，杜志芹，溫金保，王松，季海，3，4，楊濤，3，4

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210024；3.水利部水工新材料工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

聚羧酸系減水劑由于其優(yōu)良的性能和綠色環(huán)保的特性，近幾年在減水劑總體市場中的占比不斷快速提升，已達(dá)78%[1-3]。目前國內(nèi)外市場上應(yīng)用的聚羧酸減水劑絕大多數(shù)為液態(tài)復(fù)配型產(chǎn)品，為了滿足不同要求，如高溫環(huán)境施工、降低大體積混凝土水化熱、超長結(jié)構(gòu)連續(xù)施工、混凝土泵送性等工況要求，往往復(fù)配一定比例的緩凝、引氣、增稠保水等功能組分，其中緩凝劑中應(yīng)用廣泛的葡萄糖酸鈉大多為微生物發(fā)酵法生產(chǎn)，難免存在黑曲霉菌殘留。目前國內(nèi)聚羧酸減水劑普遍為常溫工藝合成，生產(chǎn)用水、其他輔助小料、生產(chǎn)儲(chǔ)存運(yùn)輸容器或管道不潔凈也會(huì)帶入真菌和細(xì)菌等微生物[4-5]。復(fù)配后的糖類、聚羧酸母液等有機(jī)質(zhì)又為微生物繁殖提供了營養(yǎng)基質(zhì)；在夏季高溫環(huán)境下微生物迅速繁殖，導(dǎo)致減水劑變質(zhì)發(fā)臭，出現(xiàn)絮狀或黏皮狀漂浮物，堵塞流通管道，密封容器脹氣甚至炸裂，不僅帶來經(jīng)濟(jì)損失，而且產(chǎn)品性能下降給混凝土質(zhì)量帶來隱患。

針對上述問題，多數(shù)企業(yè)采用摻加防腐劑延長聚羧酸系減水劑的保質(zhì)期，摻加殺菌劑對已變質(zhì)產(chǎn)品進(jìn)行處理，但防腐劑、殺菌劑種類繁多，僅歐盟允許使用的工業(yè)防腐劑、殺菌劑的活性物質(zhì)的種類就多達(dá)146種[6]，何種防腐殺菌劑更適用于復(fù)配型聚羧酸系減水劑體系中值得深入研究。國內(nèi)企業(yè)也日益重視研發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用罐內(nèi)專用防腐殺菌產(chǎn)品，主要種類大致為Kathon類（CMIT/MIT）、BIT類、BBIT類、OIT類、甲醛緩釋體類、酚類、季銨鹽類等，各類防腐殺菌產(chǎn)品活性物不同，對真菌和細(xì)菌的滅活效果不同，對應(yīng)的pH值適用范圍也不同。而國內(nèi)減水劑生產(chǎn)企業(yè)使用的原料及現(xiàn)場存儲(chǔ)環(huán)境各異，菌群種類復(fù)雜，且真菌和細(xì)菌非單一存在，大多為競爭共生關(guān)系，單一的防腐效果不太理想，甚至有部分廠家直接添加甲醛，而甲醛隨存放時(shí)間和溫度的變化會(huì)逸出，防腐效果往往達(dá)不到理想效果[7]。同時(shí)，對已變質(zhì)減水劑國內(nèi)也有較多研究，趙婷婷等[8]研究發(fā)現(xiàn)，摻加亞硝酸鈉可以對已霉變的減水劑除臭除色。

本研究以復(fù)配型聚羧酸減水劑原材料污染分析為依據(jù)，選取了5種不同類型防腐劑，探討了防腐劑種類對復(fù)配型聚羧酸減水劑抑菌效果和外觀的影響，并對優(yōu)選出的防腐劑進(jìn)行濕態(tài)挑戰(zhàn)測試，分析了快速殺菌劑和亞硝酸鈉對已霉變減水劑的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

聚羧酸減水母液A（固含量40%）、聚羧酸保坍母液B（固含量40%）：南京瑞迪高新技術(shù)有限公司；緩凝劑：葡萄糖酸鈉，市售；水：自來水；增稠保水劑：聚丙烯酰胺（PAM）：相對分子質(zhì)量400萬，市售，配制成0.5%水溶液；防腐劑（Pre1～Pre9）：其類別、有效物（活性物）及其含量見表1，均為工業(yè)級(jí)；殺菌除臭劑：QK20，鹵素類，溴化物含量20%，工業(yè)級(jí)，上海日乾；亞硝酸鈉：工業(yè)級(jí)，市售；某工地現(xiàn)場已霉變聚羧酸減水劑：固含量18.5%；TSA和PDA培養(yǎng)基：上海畢特生物科技有限公司；水泥：海螺P·O42.5水泥，中國水泥廠有限公司；細(xì)集料：天然中砂，細(xì)度模數(shù)2.5；粗集料：5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

表1 防腐劑樣品種類及有效物含量

1.2 主要儀器設(shè)備

LE2002E型電子天平，METTLER TOLEDO；HR10-IIA2型生物安全柜，青島海爾生物醫(yī)療股份有限公司；LDZM-80L型立式高壓蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；LRH-250F型生化培養(yǎng)箱，上海一恒科技有限公司；YT-1101型酶標(biāo)分析儀，上海葉拓科技有限公司；DK320型恒溫水槽，上海精宏；無菌培養(yǎng)皿、無菌樣品瓶，市售；NJ160A型水泥凈漿攪拌機(jī)；HJW-60型強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)；LC-615A型混凝土含氣量測試儀，日本三洋試驗(yàn)機(jī)工業(yè)株式會(huì)社。

1.3 測試方法

1.3.1 原材料、基準(zhǔn)樣品的微生物測試和防腐劑抑菌效果

按照食品微生物學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB 4789.2—2016《菌落總數(shù)測定》和GB 4789.15—2016《霉菌和酵母計(jì)數(shù)》對菌落總數(shù)和霉菌酵母菌數(shù)量進(jìn)行測試。復(fù)配聚羧酸系減水劑基準(zhǔn)樣品的配方見表2。

表2 復(fù)配聚羧酸減水劑基準(zhǔn)樣品的配方 %

1.3.2 防腐劑濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)測試

（1）稱取50 g樣品置于無菌樣品瓶中；（2）將污染樣品分離出的菌種按一定比例混合加入樣品中；（3）接種7 d后，在TSA培養(yǎng)皿上進(jìn)行涂布；（4）7d后觀測結(jié)果，按表3所示標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定；（5）重復(fù)進(jìn)行4輪接種，接種比例為1%菌液含菌量：1.2×109cfu/ml。

表3 污染等級(jí)判定

1.3.3 混凝土坍落度和含氣量

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對混凝土坍落度和含氣量進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配原材料及基準(zhǔn)樣品測試

為充分了解復(fù)配型聚羧酸系減水劑菌群種類和數(shù)量，按表2配方配制基準(zhǔn)樣品，對復(fù)配用原材料和所配制基準(zhǔn)樣品進(jìn)行初步微生物檢測，結(jié)果見表4。

由表4可見，聚羧酸母液B和葡萄糖酸鈉的菌落總數(shù)、霉菌和酵母菌總數(shù)均處于高位，屬于重度污染；PAM溶液為輕度污染。配制的基準(zhǔn)樣品處于重度污染狀態(tài)。

表4 復(fù)配原材料及基準(zhǔn)樣品微生物測試結(jié)果

2.2 不同防腐劑的抑菌效果

為考察不同種類防腐劑對霉菌和菌落總數(shù)的抑制情況，選取5種類別防腐劑產(chǎn)品共9個(gè)樣品，將基準(zhǔn)樣品分為相同的9份后，分別摻入0.2%的Pre1～Pre9防腐劑，攪拌均勻，置于經(jīng)滅菌處理的塑料容器中，夏季高溫季節(jié)同條件避光保存（溫度為28～32℃，相對濕度40%～60%）。對放置30 d的樣品進(jìn)行霉菌和酵母菌數(shù)量、菌落總數(shù)測試，同時(shí)觀測上述樣品外觀、氣味、脹氣隨儲(chǔ)存時(shí)間的變化情況，結(jié)果見表5和圖1。

表5 防腐劑對聚羧酸系減水劑中霉菌和酵母菌、菌落總數(shù)的抑制效果

從表5和圖1可以看出：存放30 d未摻加防腐劑的樣品，霉菌和酵母菌總數(shù)、菌落總數(shù)均約增加了2倍；VOC類防腐劑對霉菌和酵母菌長效抑菌效果不佳，而且霉菌和酵母菌總數(shù)反而增加。王琨等[9]研究發(fā)現(xiàn)，36%濃度甲醛稀釋20～30倍，對細(xì)菌和真菌的生長只起到了部分抑制的作用，24 h內(nèi)細(xì)菌和真菌都有生長，且24 h后細(xì)菌和真菌生長速度明顯加快。郭兆杰等[10]在利用加入甲醛低溫滅菌進(jìn)行黑曲霉檸檬酸發(fā)酵的研究中也發(fā)現(xiàn)，加甲醛滅菌的培養(yǎng)基不僅不影響黑曲霉生長，而且還有利于黑曲霉的生長，其作用機(jī)理尚待研究。GB 31040—2014《混凝土外加劑中殘留甲醛的限量》中規(guī)定外加劑中殘留甲醛含量不得大于500 mg/kg，因此低濃度甲醛僅可用于短期滅菌，不能起到長效抑菌，尤其是抑制霉菌的作用；亞硝酸鈉抑菌效果較為顯著，但后期會(huì)轉(zhuǎn)變成亞硝胺，有致癌風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)細(xì)菌硝化后產(chǎn)生氮源，反有利于細(xì)菌生長。

酵母菌是一種典型的真核單細(xì)胞真菌，其在有氧和無氧環(huán)境中都能生存，屬于兼性厭氧菌，它可以將有些有機(jī)物如糖類分解生成二氧化碳和水或酒精，二氧化碳積聚到一定數(shù)量會(huì)導(dǎo)致密封容器鼓脹。

圖1 部分樣品外觀隨儲(chǔ)存時(shí)間變化示例

趙慶春等[11]研究發(fā)現(xiàn)，防腐劑單獨(dú)使用對細(xì)菌的作用以呋喃西林和過氧化氫抑菌效果最好；對霉菌的作用以過氧化氫最好。加入的過氧化氫具有氧化殺菌和除臭雙重作用，但因過氧化氫過于活潑，持久殺菌能力差，可短期消毒，但不適合于長效殺菌。Kathon類防腐劑是隨著活性物濃度的提高，抑菌效果提升較為顯著；甲醛緩釋體依靠緩慢釋放甲醛來抑制細(xì)菌，較直接添加甲醛更為穩(wěn)定，但因葡萄糖酸鈉等引入大量黑曲霉菌，抑制霉菌就顯得更重要，而甲醛抑霉效果較差，因此需要與抑霉組分復(fù)合使用。測試結(jié)果顯示，隨著防腐組合物中隨著抑霉組分OIT含量的增加，霉菌和酵母菌抑制效果逐漸提升。但OIT復(fù)合比例低于3.5%時(shí)，該防腐劑霉菌和酵母菌抑制效果不佳，長效抑菌需提高OIT用量。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，Pre2、Pre6和Pre9三種防腐劑對于該復(fù)配體系的聚羧酸系減水劑的防腐、抑菌效果較理想。

2.3 濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)

對優(yōu)選出Pre2、Pre6和Pre9三種防腐劑進(jìn)行了為期4周的濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)測試，防腐劑摻量均為0.2%，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)測試結(jié)果

由表6可見，空白樣在分別摻入0.2%的Pre2、Pre6、Pre9后，均能通過4輪濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)測試，進(jìn)一步證實(shí)摻加上述3種防腐劑均適用于該聚羧酸系減水劑復(fù)配體系的防腐。

2.4 快速殺菌劑對已變質(zhì)減水劑外觀的影響

為考察殺菌劑對已變質(zhì)聚羧酸減水劑的影響，分別采用鹵素類快速殺菌劑QK20和亞硝酸鈉對已嚴(yán)重霉變聚羧酸減水劑進(jìn)行殺菌試驗(yàn)，其中QK20和亞硝酸鈉在已變質(zhì)減水劑中的摻量分別為0.20%和0.25%，24 h后觀察霉變聚羧酸減水劑的外觀，結(jié)果見圖2。

圖2 快速殺菌劑對已變質(zhì)減水劑外觀的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，分別摻入2種殺菌劑后，已變質(zhì)減水劑的臭味基本消除。由圖2可見，摻加亞硝酸鈉的樣品顏色略微變淡，摻加QK20的樣品黑色完全消除，但無法恢復(fù)到澄清狀態(tài)，可能是因?yàn)闇缁詈缶w數(shù)量較多，懸浮于樣品中?？梢姡焖贇⒕鷦㏎K20的除臭除色效果優(yōu)于亞硝酸鈉。

2.5 快速殺菌劑對已霉變減水劑性能的影響

對2.4中已變質(zhì)聚羧酸減水劑樣品、殺菌24 h樣品和相同配方新制聚羧酸減水劑樣品進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，考察快速殺菌劑對減水劑分散性、保塑性和引氣性能的影響。試驗(yàn)混凝土配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）=400∶711∶1067∶177，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 殺菌劑對已霉變減水劑性能的影響

由表7可見：（1）相較于相同配方新制減水劑樣品，摻變質(zhì)減水劑的混凝土初始擴(kuò)展度明顯減小，說明變質(zhì)后減水劑的分散性降低；1 h坍落度經(jīng)時(shí)損失由變質(zhì)前的5 mm增大至140 mm，說明減水劑變質(zhì)后其保塑性能嚴(yán)重下降。（2）減水劑變質(zhì)后其引氣性能降低。（3）變質(zhì)減水劑中摻入0.25%亞硝酸鈉或0.20%QK20均可一定程度上恢復(fù)減水劑的分散性能和引氣性能，但保塑性能無法完全恢復(fù)。

3 結(jié)語

（1）對于復(fù)配型聚羧酸減水劑，抑菌效果較好的防腐劑為Kathon類、無機(jī)鹽類；甲醛緩釋體和OIT復(fù)合類防腐劑，只有在活性物OIT復(fù)配比例達(dá)到5.5%以上時(shí)，長效防腐效果才體現(xiàn)；低濃度甲醛和氧化劑類僅可用于短期滅菌，不能長效抑制霉菌。

（2）對于優(yōu)選出的3種防腐劑（Pre2、Pre6、Pre9），在0.2%摻量下均可通過4輪濕態(tài)防腐挑戰(zhàn)測試。

（3）變質(zhì)聚羧酸減水劑的初始分散性、保塑性和引氣性能都有不同程度的下降，且保塑性能降低最為嚴(yán)重；鹵素類快速殺菌劑可快速除色、除臭，可部分恢復(fù)聚羧酸系減水劑的性能，但無法完全恢復(fù)到變質(zhì)前的水平。

（4）因聚羧酸系減水劑復(fù)配廠家所用生產(chǎn)原料、生產(chǎn)工藝及儲(chǔ)存運(yùn)輸環(huán)境存在差異，建議通過試驗(yàn)，選擇適宜防腐劑和殺菌劑產(chǎn)品。為達(dá)到良好的防腐效果，更應(yīng)該關(guān)注如何選擇優(yōu)質(zhì)原材料，減少菌群的引入。同時(shí)，由于不同種類防腐劑和防霉劑的作用機(jī)理不同，有著各自不同的抑菌譜，在某些情況下，多種防腐劑和防霉劑的復(fù)配使用，可起到互補(bǔ)和協(xié)同增效作用，比使用單一的防腐劑或防霉劑更有效，在擴(kuò)大抗菌廣譜性的同時(shí)，可以降低使用濃度，從而提高產(chǎn)品的安全性。