不同分子结构的聚羧酸减水剂协同作用机理

叶慈彪 查文彬 杨博 高梦兆 陈菁

摘 要：本文利用红外光谱（IR）分析了两种聚羧酸减水剂PCE1、PCE2的分子结构，测定了吸附量、水泥净浆流动性，并结合混凝土试验，探讨了两种聚羧酸减水剂的协同作用机理。研究结果表明：对PCE1、PCE2分子结构的研究说明含有酯基的PCE2吸附量明显小于PCE1，对水泥浆体的初始分散能力较小，而分散保持性较好，呈现“缓释”现象；可利用初始低分散性的缓释型减水剂调整外加剂的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度损失，可为混凝土坍落度损失的调控提供了有效的技术手段。

关键词：聚羧酸减水剂；吸附量；流动性；缓释

引 言

从作用机理上来看，聚羧酸减水剂依靠短侧链的静电斥力及长侧链的空间位阻效应有效分散颗粒，分子结构设计上自由度较大，可调整短长侧链摩尔比、长侧链长度、引入其他活性基团，从而实现聚羧酸减水剂性能的优化[1～2]。本文选择两种不同分子结构的减水剂，通过对分子结构的表征、吸附量的测定、流动性的分析，研究了两种分子结构的聚羧酸减水剂的复合效应，为聚羧酸减水剂性能优化提供经验。

1 实 验

1.1 原材料

（1）水泥

亚东P.O.42.5，化学成分见表1。

（2）减水剂

标准型聚羧酸减水剂PCE1，缓释型聚羧酸减水剂PCE2，匀质性指标见表2。

1.2 吸附量及ζ电位测定

水泥和泥土悬浮液的制备：分别称取适量水泥1g，与一定浓度的聚羧酸减水剂溶液（20g）搅拌摇匀（搅拌时间分别为5min，30min，60min），取出适量液体倒入离心管中，采用离心机离心分离滤液（转速3000r/min，4min），收集上清液后用一次性滤器取出5mL液体作为测试样品。本实验采用德国耶拿公司的总有机碳分析仪MultiN/C2100测试滤液中的有机碳含量。总有机碳的计算：从聚羧酸减水剂掺加的总量中减去滤液中通过有机碳（扣除空白样中的有机碳）得出的减水剂量即为减水剂被固体颗粒（水泥或泥土）的吸附量。

1.3 傅立叶红外光谱结构表征

采用德国Bruker公司生产的TENSOR37型红外光谱仪。分别称取适量减水剂在真空干燥箱中烘干，之后将样品与KBr混合均匀后压成小圆片。扫描频率范围为500～4000cm-1。分辨率为6cm-1。

2 结果与讨论

2.1 聚羧酸减水剂结构表征

图1给出了PCE1与PCE2的红外光谱分析。从图中可以看出，由圖1可知，在3420～3460cm-1附近有缔合羟基的伸缩振动特征峰，在2820～2890cm-1附近出现小峰，这是甲基和亚甲基C-H的振动峰，在1100～1120cm-1处出现聚氧化乙烯基中的C-O-C的伸缩振动吸收峰，这些峰是这两张图谱中都出现的。而在PCE2红外图谱中，在1720～1740cm-1处存在酯键（C=O）的伸缩振动吸收峰。

2.2 吸附量

图2给出了PCE吸附量随减水剂浓度的变化规律。从图中可以看出，随PCE浓度的增加，吸附量增加；但比较PCE1与PCE2，PCE1的初始吸附量略高于PCE2，说明PCE1在水泥颗粒表面具有更强的吸附能力。图3给出了PCE吸附量随时间的变化规律（减水剂浓度为0.2g/L）。随时间的增加，PCE1、PCE2的吸附量均增加；15min后，PCE2的吸附量与PCE1的吸附量相差不大，当吸附时间大于30min时，PCE2的吸附量已经超过PCE1，说明随时间的变化，PCE2的吸附量增加速度略大于PCE1[3]，而酯基在水泥水化的碱性环境中易水解，生成羧基（COO-），而羧基是影响聚羧酸减水剂吸附性能的主要官能团，决定减水剂吸附能力的大小[4]。因此，可调整PCE1与PCE2的相对用量来调整减水剂在颗粒表面的吸附进程，实现颗粒表面减水剂吸附的可调控性。

2.3 流动性的变化

表3给出了PCE1和PCE2协同作用对水泥净浆流动度的影响规律。从图中可以看出，对于PCE1，当掺量为0.18%时，初始流动度可达到290mm，而60min流动度降至200mm，120min流动度降至120mm，虽然PCE1具有较高的初始流动度，但流动性损失较大；对于PCE2，当掺量为0.18%时，几乎没有初始流动度，而60min流动度提高至250mm，120min流动度略微增加，为260mm，虽然PCE1的初始分散能力较差，但具有较好的缓释效果；从PCE1与PCE2复掺的结果来看，随PCE1掺量的增加，浆体初始流动性增加，流动性损失增大；而随PCE2掺量的增加，浆体初始流动性增加，流动性损失降低。

以往的研究显示，减水剂流动性与流动保持性的变化与吸附量的变化有关[5]。从吸附量的分析可以看出，PCE1具有较强的初始吸附能力，在水化初期有效分散水泥颗粒，但由于大量的消耗，液相中减水剂浓度较低，浆体体系的稳定差，导致流动性损失增大。而PCE2具有较小的初始吸附量，避免初始矿物快速水化对减水剂的消耗，增加了液相中减水剂的含量，同时具有缓释吸附的特点，随时间延长，吸附量增加速度大于PCE1，因此可较好的维持1～2h浆体体系的稳定性，表现出良好的分散性保持性。因此，可通过调整PCE1与PCE2的用量，可调控减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附历程，从而调控浆体流动性与流动保持性。

3 结 论

（1）对PCE1、PCE2分子结构的研究显示：含有酯基的PCE2吸附量明显小于PCE1，对水泥浆体的初始分散能力较小，而分散保持性较好，呈现“缓释”现象；

（2）可利用初始低分散性的缓释型减水剂调整外加剂的分散性和分散保持性，降低混凝土坍落度损失，可为混凝土坍落度损失的调控提供了有效的技术手段。

参考文献

[1]朱俊林，石小斌，戴文杰.对国内外聚羧酸减水剂研究进展的探讨[J].商品混凝土，2006，（04）：5～7+24.

[2]缪昌文，冉千平，洪锦祥.聚羧酸系高性能减水剂的研究现状及发展趋势[J].中国材料进展，2009，（11）：36～45+53.

[3]郭清春，周普玉，杨霞.高保坍型聚羧酸减水剂的合成及性能表征[J].新型建筑材料，2014，（02）：9～12.

[4]李崇智，冯乃谦，王栋民.梳形聚羧酸系减水剂的制备、表征及其作用机理[J].硅酸盐学报，2005，（01）：87～92.

[5]李顺，余其俊，韦江雄.聚羧酸减水剂的分子结构对水泥水化过程的影响[J].硅酸盐学报，2012，（04）：613～619.