聚羧酸系高性能减水剂与常用减水剂复配性研究

1、聚羧酸系高性能减水剂与常用减水剂复配性研究孙振平，蒋正武，王建东，张冠伦，何伟卿，谢小江【摘要】：本文阐述了聚欺酸系减水剂( PC)的性能特点和应用趋势。就PC与常用的5种减水剂，即木质素磺酸盐减水剂( LS )、萘系高效减水剂( NSF )、密胺系高效减水剂(MSF),羧基焦醛高效减水剂(SAF)、和氨基磺酸盐系高效减水剂( ASF)之间的复配性能进行了试验研究。结果表明:(1)仅从溶液的互溶性来看，实际工程中PC与MSF或SAF减水剂溶液不能复配在一起掺加，PC可与LS,NSF,ASF进行复配;(2)从复合掺加后的叠加效果来看，PC与LS和SAF存在复合掺加使用的可能性，但由于PC与SAF

2、不互溶，实际上PC只能与LS进行复配使用。【关健词】：聚羧酸系减水剂，木质素磺酸盐减水剂，萘系高效减水剂，密胺系高效减水剂，羧基焦醛高效减水剂，氨基磺酸盐高效减水剂，相溶性，复配 聚羧酸系减水剂是一类分子中含羧基接枝共聚物的表面活性剂，其分子结构呈梳形;主链短，由含羧基的活性单体聚合而成，侧链长，主要为PEO链;具有较高的空间位阻效应。其具有诸多优点，如掺量低、减水率高、坍落度损失小、对凝结时间影响小、使用效果不受掺加顺序影响等，其某些性能还可以通过优化合成工艺而达到，如活用聚合方法可调整分散性能和引气性能等。另外，由于聚羧酸系减水剂合成生产过程中不使用甲醛和其他任何有害原材料，属于环境友好型

3、的减水剂产品。所以，聚羧酸系减水剂非常受研究界和工程界重视。 目前，聚羧酸系减水剂已成功地在高强混凝土、自密实混凝土、清水混凝土、混凝土预制精品构件等特种混凝土中应用，取得较好效果。另外，我国东部地区的部分搅拌站已经开始使用聚羧酸系减水剂来配制商品混凝土。 为适应不同工程的要求，或为降低产品成本、扩充产品种类、形成系列化产品，通常将不同品种的减水剂复配，或将某种减水剂与缓凝、早强、引气等化学组分复配在一起使用，获得取长补短、事半功倍的应用效果。如萘系高效减水剂常与木质素磺酸盐减水剂、缓凝组分、引气组分、保水组分等复配，一方面降低产品成本，另一方面可以延缓混凝土的凝结时间，或改善混凝土坍落度保持

4、性和泵送性能。氨基磺酸盐系减水剂虽然流动性保持性优异，但成本相对较高，因而通常作为萘系高效减水剂的改性剂使用。 聚羧酸系减水剂作为一种新型高性能减水剂，人们对其复合应用的性能效果知之甚少，尚需开展大量的研究工作，尤其是为降低应用成本和解决聚羧酸系减水剂应用过程中的离析、泌水等问题，需要将聚羧酸系减水剂与其他品种减水剂复配使用。本文将通过试验探讨聚羧酸系减水剂与其他品种减水剂复配使用的可能性，其结果对聚羧酸系减水剂开发研究和工程应用者将有所帮助。1. 原材料和试验方法1.1 原材料(1) 水泥:海螺牌P. 0 42.5 R水泥，其基本性能见表1。 (2)细集料:河砂，细度模数2.6。 (3)粗集

5、料:5一25 mm连续级配碎石，人工冲洗后含泥量计为0。 (4)拌和水:饮用自来水。 (5)减水剂:聚羧酸系减水剂(PC)，液体，含固量20%;木质素磺酸盐减水剂(LS )，粉状;萘系高效减水剂(NSF)，粉状;密胺系高效减水剂(MSF)，液体，含固量50%;氨基磺酸盐系高效减水剂(ASF)，粉状;拨基焦醛高效减水剂(SAF)，液体，含固量35%。1.2. 试脸方法 (1)水泥净浆流动性:水泥净浆流动度按照GB8077-2000混凝土外加剂匀质性试验方法进行测试。 (2)混凝土减水率和抗压强度比:混凝土减水率和抗压强度比按照GB8076-1997混凝土外加剂标准规定的方法进行测试。其他试验方法

6、将在文中具体说明。2. 试验结果与讨论2. 1 PC与其他品种减水剂溶液的相溶性 将其他5种常用减水剂(LS,MSF,NSF,ASF和SAF)分别配制成浓度为20%的溶液，并按1:1(质量比)的比例分别与PC(浓度为20%)进行混合，摇匀、加盖、静置24 h后，观察各混合液体有无分层或沉淀现象产生，以此判断PC与这5种常用减水剂的相溶性。 5个盛有混合液体的透明塑料杯静置后的图片如图1所示。 由图1(a)可见，PC与LS溶液的相溶性良好，未出现分层，也没有沉淀现象产生。综合图1(b)至图1(e)可见:PC与NSF或ASF溶液相溶性良好，没有出现分层或沉淀现象;PC与MSF或SAF溶液的相溶性都

7、较差，出现了明显的分层现象，其中PC在溶液上层，MSF和SAF在溶液的下层。 两种外加剂复配后以液体形式供应使用，其首要条件是互溶。从此处的试验结果看来，实际工程中PC与MSF或SAF溶液不能复配在一起使用，而不考虑复配使用效果的情况下，PC与LS,NSF或ASF存在复配使用的可能性。2. 2 PC与其他品种减水剂友合拾加对水泥净桨流动性的影响 当单独掺加PC时，其最佳掺量为0. 200/(外加剂固体质量占水泥质量的百分比，下同)。为考察PC与其他品种减水剂复合掺加使用的效果，本文将PC掺量固定为0. 10%，而其他品种减水剂的掺量从0. 10%逐渐增加到0. 40%，试验方案见表2。 各组试

8、验中水泥的用量取300 g，用水用量取87 g，即mc/mw二0. 29。试验结果如图2所示。当只掺加0. 10% PC时，净浆流动度为185 mm。在此基础上，如果复合掺加LS，则随着LS掺量增加，净浆流动性有增大趋势。但是当LS掺量超过0. 30%时，由于泌水严重，净浆流动度反而有所减小。实际工程中LS的掺量一般不会超过0. 30%。SAF与PC复合掺加，也可以得到叠加的塑化效果，即固定PC掺量为0. 10%时，随着SAF掺量增加，净浆流动度逐渐增大。由于SAF的塑化效果优于LS，所以当掺量较大(比如超过0. 10%)时，SAF与PC复合掺加的塑化效果优于LS与PC复合的塑化效果。但是从图

9、2也可明显地看出，NSF和MSF以及ASF在掺量为0. 20%以内，与PC复合掺加，不仅没有产生叠加的塑化效果，反而削弱了PC的塑化作用，只是ASF掺量大于0. 20%时，净浆流动度才随着ASF掺量的增加而有所增大。LS, NSF, MSF, ASF和SAF都属于阴离子型表面活化剂，能在水泥表面上产生单分子吸附层，使界面上的分子性质和分子相互作用特性发生很大的变化。这些表面活性剂离解成大分子的阴离子和金属阳离子，呈现较强表面活性的大分子阴离子吸附在水泥颗粒表面上，使水泥颗粒整体带负电荷，由于同性电荷相斥而使水泥颗粒分散开来。PC分子中含有一C00 - , 一OH -等基团，也是通过静电作用被水

10、泥颗粒吸附。但由于PC含有较多长支链，它不仅通过静电排斥作用，而且更多地通过一种叫作空间位阻的效应来起到塑化作用。PC吸附于水泥颗粒表面后呈梳形，而其他几种高效减水剂吸附于水泥颗粒表面后呈刚性横卧状(图3)。如前所述，PC吸附于水泥颗粒表面后除了靠静电斥力外，空间位阻效应对其塑化作用更关键，而其他减水剂则主要靠静电斥力，所以单独掺加的情况下，PC在很小的掺量(0. 1%0.2%)情况下就产生非常理想的塑化效果，而其他减水剂的常用掺量普遍较大(0. 4%一0. 8 % , LS的常用掺量较小，为0. 2%一0. 3，这只是因为它的分子量较小而已)。当PC与MSF,NSF,SAF,ASF或LS复合

11、掺加时，存在一C00 -与一S032-竞争吸附的现象，哪个基团先吸附于水泥颗粒表面，哪个基团对水泥颗粒的分散性就会起到主导作用。研究表明，与一S032-相比，一C00 -的吸附速率明显较慢，这样由于一开始一S032-吸附量较多，导致一C00 -无法正常吸附于水泥颗粒表面，PC的塑化效应就没有办法发挥，因此，PC与其他减水剂复合掺加时，减水效果往往会受到影响。 当NSF,MSF或ASF与PC复合掺加到水泥净浆中，由于这种竟争性吸附现象的存在，对NSF,MSF或ASF来说，吸附量的减小使它们对水泥颗粒起分散作用的静电斥力变小，而对PC来说，则因吸附量的减小，导致其静电斥力和空间位阻效应均减弱。另外

12、，NSF, MSF和ASF的分子结构中均含有苯环或其他环状结构，当它们与PC复合使用时，还可能会将PC分子包裹而阻止了PC众多支链的伸展，这样也会阻止PC与水泥颗粒的接触，如此一来，就产生复配掺加情况下减水效果严重降低的现象。 LS和SAF分子中都没有环状结构，所以它们与PC复合掺加时只是从阴离子竞争吸附的层面上影响PC的减水效果，而不存在包裹PC分子的现象。所以，LS或SAF与PC复合使用的效果要比其他3种减水剂与PC复合使用的效果好。2. 3 PC与其他品种减水剂复合使用对混凝土性能的影响 试验参照GB8076-1997混凝土外加剂标准进行设计，见表3。固定混凝土坍落度为(80士10)mm

13、，各组混凝土的用水量及减水率计算结果列于表3,混凝土抗压强度测试结果见表4。 从表3可以看出，PC与LS复合掺加，减水率有所增加，这与图2中的结果是一致的;PC与SAF复合掺加，减水率随着SAF的掺量的增加而增大，但当SAF掺量为0. 80%时，由于出现了泌水现象，减水率有所下降。 由表4可知，由于PC具有一定的缓凝作用，单纯掺加PC的混凝土其3d抗压强度比较低，只有94%，但随后龄期的强度发展较快，7d抗压强度就已经达到42.7 MPa，增长了近1倍，28d时单纯掺加PC的混凝土其抗压强度相当于基准混凝土的114% 。 PC与0. 16%的LS复合掺加时，混凝土早期强度有所提高,7 d强度发展也比较快。固定PC的掺量为0. 10%，当LS的掺量达到0. 40%时，相对于LS掺量为0. 16%的混凝土来说，1d抗压强度虽有所下降，但7d和28 d抗压强度均有所提高。PC与SAF复合掺加后，混凝土的减水率增大，各龄期抗压强度均有所提高。B7组混凝土减水率和抗压强度的发展规律出现反常，其原因是混凝土拌和物出现了泌水现象，相信在胶凝材料用量较大的混凝土中可以消除此现象。3