新型改性脂肪族减水剂的制备方法研究论文_周武1, 蒋钦华2

【摘要】随着混凝土技术的发展，高效减水剂已经成为混凝土外加剂中最重要的组成部分。目前国内的外加剂市场中，高效减水剂主要仍以萘系、聚羧酸为主。然而，萘系减水剂受其结构制约，无法从根本上改善混凝土保坍性能；聚羧酸减水剂虽保坍性能优异，与水泥适应性好，但因价格昂贵，其应用范围受到一定的限制。脂肪族减水剂是上世纪80年代发展起来的一种新型减水剂。它是以丙酮、甲醛、 亚硫酸盐等为主要原料，经过磺化、缩合而制得的阴离子高分子表面活性剂。脂肪族减水剂具有掺量低、硫酸钠含量少(小于1%)、冬天无结晶、对钢筋无锈蚀等特点，属于早强非引气型减水剂，目前在高强管桩生产中应用较多。然而，随着亚硫酸盐的价格不断上涨，也增加了脂肪族减水剂的成本，另外，但其减水率相对于萘系要稍高一点，保坍性能和适应性一般，已不能满足对其其高性能化的要求了。

高效减水剂的广泛应用使混凝土向高性能方向发展。脂肪族高效减水剂具有减水率高、强度增长快、风量小等优点，是目前市场上应用最广泛的减水剂之一。但是，普通脂肪族减水剂的加入也会带来一些不良影响，如由于泌水严重，往往会引起混凝土早期塑性开裂，而收缩开裂会导致混凝土早期破坏和结构耐久性下降，降低建筑物的使用寿命，造成巨大的经济损失。因此，改性脂肪族减水剂的研究越来越多。本文详细研究了丙酮、甲醛和对氨基苯磺酸钠的反应条件，并对新型改性脂肪族减水剂的性能进行了测试。与传统的脂肪族减水剂相比，该产品不仅色泽较浅，而且在减水和保坍方面具有明显的优势。

【关键词】改性脂肪族减水剂；制备；新型

前言

随着混凝土技术的不断发展，对混凝土的流动性大、保坍时间长、水化热低、强度高、耐久性好等各项性能提出了更高的要求，对混凝土的能耗、耐久性等经济要求也越来越高，尽量降低成本，加快施工进度。工程实践证明，混凝土外加剂不仅能使混凝土获得优良的性能，而且能满足许多不同的工程施工需要，因此混凝土外加剂已成为混凝土的重要组成部分。高效减水剂的研究和应用促进了混凝土技术的进步。高性能混凝土已成为化学外加剂与混凝土技术相结合的成功范例。虽然高效减水剂的掺量通常小于混凝土中水泥质量的1%，但它通过分散水泥颗粒、引气、缓凝等作用影响水泥的水化行为，进而对水泥的硬化速率、水化产物、内部微观结构、力学性能等产生显著影响以及混凝土的耐久性。

1.实验

1.1实验材料

丙酮(分析纯，南京化学试剂有限公司)；氢氧化钠(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；甲醛，对氨基苯磺酸钠(分析纯，阿拉丁试剂有限公司)；脂肪族减水剂(市售，江苏苏博特新材料股份有限公司)。

1.2 新型改性脂肪族减水剂的制备

在反应烧瓶中加入对氨基苯磺酸钠、氢氧化钠和水，水浴升温至50℃后，搅拌至完全溶解，同时开始滴加A和PA，滴加时间约1 h,A提前15 min滴加结束，边滴加边升温，滴加结束后升温至90℃，然后在90～94℃下反应一定时间，降温，出料，即为产品。

上述的反应过程的可能由以下反应式表示：

1.3 性能测试方法

水泥净浆流动度参照国家标准GB/T 8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行，混凝土性能参照国家标准GB/T8076-2008《混凝土外加剂》进行。混凝土测试所用水泥为江南小野田水泥有限公司P·II 52.5水泥，粉煤灰为江苏华能电力公司生产的一级粉煤灰，砂为河砂，细度模数2.8，大石为10～20 mm碎石，小石为5～10 mm碎石，水胶比0.5；所用混凝土配合比为m(水泥)︰m(砂)︰m(石)=280︰780︰1050。

2.结果与讨论

2.1 n(SAS)︰n(A)对减水剂性能的影响

比较了不同的n(SAS)︰n(A)对减水剂性能的影响如图1所示，随n(SAS)︰n(A)的增大，减水性能先增加后降低，当n(SAS)︰n(A)为0.4时，产物减水性能最好，这是因为当SAS的比例增大时，增加了产物结构中的吸附基团，从而减水效果增加，但是当SAS比例较大时，又会影响聚合活性，降低产物的分子量，从而降低减水效果，因此，n(SAS)︰n(A)最适合的为0.4。

图1 n(SAS)︰n(A)对减水剂性能的影响

2.2 聚合浓度对减水剂性能的影响

测试了聚合浓度对减水剂性能的影响如图2所示，随聚合浓度的增大，减水性能先增加后降低，当聚合浓度达到45%时，产物减水性能最好，这是因为随着聚合浓度的增加，反应体系的缩合动力变大，产品减水增加，但是当聚合浓度一直增大时，反应过快，产品分子量变大，体系的粘度增大，容易造成体系凝胶，因此，比较合适的聚合浓度是45%。

图2 聚合浓度对减水剂性能的影响

2.3 n(PA)︰n(SAS+A)对减水剂性能的影响

比较了不同的n(PA)︰n(SAS+A)对减水剂性能的影响如图3所示，随n(PA)︰n(SAS+A)的增大，产品的减水性能先增加后降低，这是因为当PA的比例增大时，产品的交联度增大，分子量变大，减水效果增大，但是当交联度大到一定程度，产品分子量过大，会影响减水，因此，n(PA)︰n(SAS+A)最适合的为1.2。

图3 n(PA)︰n(SAS+A)对减水剂性能的影响

2.4 催化剂用量对减水剂性能的影响

催化剂用量对净浆流动度的影响如图4所示，在一定范围内，随着碱量的提高，产物的净浆流动度逐渐增大。说明NaOH在反应中提供碱性环境，起到催化剂的作用。当催化剂用量为3%时，产品的减水效果最佳，而小于3%时，产品粘度不大，分子量不够，当大于3%时，体系反应过快，粘度变大较快，容易造成凝胶。因此合适的催化剂用量为3%。

图4 催化剂量对减水剂性能的影响

2.5 反应时间对减水剂性能的影响

反应时间对净浆流动度的影响如图5所示，随着反应时间的增加，水泥净浆流动度先逐渐增大后基本不变，当反应达到3 h时，产品的分子量达到一个合适的范围，产品的减水也最好，当反应时间大于3 h时，产品的分子量增加不明显，减水效果也基本差不多。所以最适的反应时间为3 h。

图5 反应时间对减水剂性能的影响

2.6 反应温度对减水剂性能的影响

图6 反应温度对减水剂性能的影响

反应温度对净浆流动度的影响如图6所示，随着反应温度的增大，水泥净浆流动度逐渐增大，当温度大于90℃时，净浆流动度反而变小，因为随着温度逐渐升高，将促进缩聚反应的进行，使产品分子量逐渐变大，减水性能变好，但是当温度过高时，悔导致部分副反应反应，造成产品减水性能变差。所以最适的反应温度为90℃。

2.7 混凝土应用性能测试

选用以上最佳合成参数制得的新型改性脂肪族减水剂进行混凝土应用测试。新型改性脂肪族减水剂的减水和保坍能力都比市售脂肪族减水剂有优势。

3.结语

脂肪族高效减水剂又称磺化丙酮甲醛树脂，是从油井水泥分散剂中引入的一种新型高效减水剂。与传统的萘系减水剂相比，具有许多优点：一是脂肪族羟基磺酸盐的合成工艺简单，原料易得；二是该产品减水率高，适应性强，应用范围广，与纳米系列产品相比具有一定的优势；第三，该产品在生产过程中无氯、低碱、低氨、低排放，是一种绿色环保产品。这种产品近年来发展迅速，但也存在一些不足，在推广和使用过程中存在一些问题。例如，该产品的合成反应机理比较复杂，合成过程变化多，导致目前市场上产品质量参差不齐，用户褒贬不一。此外，产品颜色为红色，新拌混凝土颜色为黄色，这导致一些客户害怕和不愿意使用。通过对脂肪族减水剂的工艺优化和改性，本实验取得了一定的效果，对脂肪族减水剂的进一步推广应用具有重要意义。

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论文作者:周武1, 蒋钦华2

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期

论文发表时间:2020/5/9