木质素磺酸钠接枝聚羧酸减水剂对混凝土性能的影响

引言木质素磺酸钠能够提高混凝土拌合物和易性，提高混凝土耐久性和力学性能[1]，但因其减水率低、引气性高，在混凝土中应用时往往需要大掺量，这样会导致混凝土含气量增大，强度下降，因此应用受限[2]。而聚羧酸作为一类减水剂，减水率高，能在较低掺量下改善混凝土拌合物和易性，提高混凝土力学性能和耐久性[3-4]，因此应用广泛，但是其保坍效果较差[5]，敏感性较高。因此，提高聚羧酸保坍性能，降低其敏感性是改善其性能的重要方向。已有研究表明，采用木质素接枝聚羧酸能优化聚羧酸系减水剂的性能[6-7]，降低其敏感性，改善混凝土拌合物和易性，但对木质素磺酸盐接枝聚羧酸减水剂在高含粉量和高含泥量用砂制备的混凝土中的应用研究较少。因此，本文在已有研究的基础上，以木质素磺酸钠、丙烯基聚醚和丙烯酸为原料，常温合成木质素磺酸钠接枝聚羧酸系高性能减水剂（M-PCE），研究了其对高石粉含量和高含泥量用砂条件下制备的混凝土性能的影响，为工程应用提供借鉴。1、试验部分

1.1原材料水泥：山东某水泥厂P·O42.5水泥。砂：包括河砂和机制砂，均为中砂，细度模数2.4，机制砂含粉量10%，河砂含泥量5%；石子：碎石，粒径5~25mm。粉煤灰：山东黄台火电厂II级FA。矿粉：鲁新S95级。外加剂：聚羧酸系高性能减水剂（PCE），减水率25%，市售；M-PCE，减水率25%，自制；PCE-CK，减水率25%，自制，与M-PCE的合成工艺一致，但未进行木质素磺酸钠（MN）接枝的减水剂。水泥、粉煤灰、矿粉的化学组成见表1。表1

胶凝材料化学成分%1.2木质素磺酸钠接枝聚羧酸系高性能减水剂的制备方法M-PCE的合成步骤如下：（1）固态大单体溶解：将甲基烯丙基聚氧乙烯基醚、去离子水倒入四口烧瓶中，然后放置在加热套内，同时插入温度计以便于实时监测反应温度，然后在四口烧瓶内插入搅动棒搅拌至大单体全部溶解；（2）分别制作A瓶滴加液和B瓶滴加液并使液体均匀，A瓶为丙烯酸（AA）和纯净水，B瓶为VC、巯基乙酸（TGA）、MN和纯净水；（3）以双氧水为引发剂，10min后，缓慢滴加A液和B液，A液滴加2h，B液滴加2.5h，反应温度25~35℃；（4）滴加完毕后，保温反应1h；（5）NaOH溶液调节pH值至6~7，即得到M-PCE。

1.3混凝土配合比本文制备混凝土的原材料最大特点为机制砂石粉含量高，达到10%，河砂含泥量高，达到5%，均为现行国家标准GB/T14684—2011《建设用砂》允许的上限值。使用机制砂配制C30混凝土，使用河砂配制C50混凝土，基本配合比见表2。其中PCE、PCE-CK和M-PCE的掺量均为2.5%。表2

混凝土基本配合比kg/m31.4试验方法水泥净浆流动度：按GB/T8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》的规定执行，取300g水泥，分别加入推荐掺量的PCE、PCE-CK和M-PCE及87g水，立即搅拌，搅拌后将净浆注入截锥圆模内，提起，测试其流动30s后的平均直径。混凝土坍落度：按GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的规定执行。混凝土力学性能：按GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的规定执行，制备150mm×150mm×150mm的混凝土试块，室温下24h脱模，养护至相应龄期后进行测试。混凝土耐久性能：按GB/T50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》的规定执行。2、结果与讨论

2.1M-PCE减水剂对水泥净浆流动性的影响图1为掺入PCE-CK、PCE和M-PCE减水剂后水泥净浆扩展度测试结果。由图1可知，掺M-PCE减水剂的水泥净浆初始流动度达到了255mm，远远高于掺PCE-CK和PCE减水剂的水泥净浆的初始流动度。随着时间的延长，掺PCE-CK和PCE减水剂的水泥净浆流动度损失也相对较大，在2h时，掺M-PCE减水剂的水泥净浆流动度损失仅为10mm，而掺PCE-CK的达到45mm，掺PCE的达到60mm。这说明M-PCE不仅能够明显增加水泥净浆的流动性，而且能够降低经时损失。这主要是因为MN接入PCE-CK支链，形成的聚合物亲水性长侧链在拌合物中延伸较大，能够起到更为明显的空间位阻效应，分散了水泥颗粒。而其本身的立体排斥力能更好的维持水泥颗粒的分散状态，阻止流动性降低。因此，M-PCE的保坍效果要优于PCE-CK和PCE。图1

不同减水剂时水泥净浆扩展度2.2M-PCE减水剂对混凝土工作性能的影响图2～图5为掺PCE-CK、PCE和M-PCE减水剂后C30、C50混凝土的坍落度、扩展度。由图2可知，掺M-PCE减水剂的C30混凝土，初始坍落度和1h坍落度均最高，坍落度1h经时变化量最小，PCE-CK次之，PCE最差。由图3可知，掺M-PCE减水剂的C30混凝土，初始扩展度和1h扩展度均最高，扩展度1h经时变化量最小，PCE-CK次之，PCE最差。这说明，掺加M-PCE减水剂的混凝土拌合物流动性和保坍效果最好，表现出了最佳的工作性能，而且相比于PCE对照组，能够明显降低外加剂的敏感性。图2

掺不同减水剂C30混凝土坍落度图3

掺不同减水剂C30混凝土扩展度由图4、图5可知，3种外加剂掺入混凝土中，拌合物表现出相似的规律。掺M-PCE的混凝土拌合物流动性和保坍效果最好，表现出了最佳的工作性能，其中初始坍落度和扩展度分别达到了230mm和615mm，坍落度和扩展度1h经时变化量仅为10mm和35mm，远优于对照组，明显改善了高含泥量砂子制备的混凝土的工作性能。图4

掺不同减水剂C50混凝土坍落度图5

掺不同减水剂C50混凝土扩展度2.3M-PCE减水剂对混凝土力学性能的影响图6、图7为掺PCE-CK、PCE和M-PCE减水剂后C30、C50混凝土的7d、28d抗压强度。由图6可知，掺M-PCE减水剂的C30高石粉含量机制砂混凝土7d抗压强度稍低于掺PCE-CK的混凝土，但是高于掺PCE的混凝土；而掺M-PCE减水剂的28d强度高于其他两组。图7的C50混凝土表现出相似的规律，掺M-PCE减水剂的C50高含泥量河砂混凝土28d强度高于掺PCE-CK和PCE的混凝土，这说明M-PCE在混凝土中能有效抑制黏土类物质吸水膨胀对混凝土强度的不利影响，减少了混凝土中脆弱界面的产生，能够使得混凝土后期强度得到良好的发展。图6

掺不同减水剂C30混凝土抗压强度图7

掺不同减水剂C50混凝土抗压强度2.4M-PCE减水剂对混凝土耐久性能的影响图8、图9为掺PCE-CK、PCE和M-PCE减水剂后C30、C50混凝土在不同冻融循环次数下的质量损失率。由图8、图9可知，C30、C50混凝土的质量损失率均随着冻融循环次数的增加而增加；掺M-PCE减水剂的C30混凝土等次数冻融循环后质量损失率最小，其次是掺PCE-CK的混凝土，质量损失率最高的是掺PCE的混凝土。这说明，掺入M-PCE后，混凝土能够表现出更好的抗冻融循环能力，这主要是因为MN具有一定的引气作用，在接枝形成M-PCE后，相比于PCE和PCE-CK能够在一定程度上增加混凝土中微气泡含量，提高混凝土的抗冻性。图8

不同减水剂对C30混凝土抗冻性的影响图9

不同减水剂对C50混凝土抗冻性的影响3、M-PCE减水剂的工程应用研究

为进一步研究M-PCE减水剂在实际工程中的应用情况，结合实际工程，进行了住宅现浇C30混凝土的应用和箱梁C50混凝土的应用。掺M-PCE的C30混凝土工程应用：某新建框架剪力墙结构的住宅类项目，要求承重柱为现浇C30混凝土。受限施工条件，为确保工程连续进行，需要混凝土保坍性能好，采用本研究制备的M-PCE外加剂，配合比参照表2，通过现场实时检测混凝土性能的数值见表3。由表3可知，掺M-PCE减水剂的混凝土初始坍落度和扩展度与实验室数据基本一致，工作性能满足施工要求，力学性能满足工程要求，在该工程中取得了良好的应用效果。表3

掺M-PCE减水剂C30混凝土性能掺M-PCE的C50混凝土工程应用：某快速路箱梁为C50混凝土，由于施工部位较为特殊，因此要求混凝土具有良好的和易性和保坍性能。采用M-PCE减水剂配制C50混凝土，配合比参照表2，通过现场实时检测混凝土性能的数值见表4。由表4可知，掺M-PCE外加剂的混凝土其初始坍落度和扩展度与实验室数据基本一致，工作性能满足施工要求，力学性能满足工程要求，在该工程中取得了良好的应用效果。表4

掺M-PC减水剂C50混凝土性能从以上施工案例可以看出，M-PCE掺入后，在满足混凝土性能要求的前提下，降低了拌合物坍落度的损失，提高了硬化混凝土的强度，满足现场施工的要求。而且相比于市场同类产品，接枝MN不仅降低了外加剂的成本，而且发挥了MN的优势，应用到混凝土中有效减少了混凝土坍落度损失，提高了混凝土的工作性能，强度和耐久性能也相对较好，具有良好的经济价值和应用前景。结论与展望

（1）相比于PCE-PK（合成工艺一致，未进行MN接枝的减水剂）和PCE（市售），掺入M-PCE减水剂的C30混凝土和C50混凝土均表现出更好的初始坍落度、坍落度保持性能、28d抗