摘要：传统聚羧酸减水剂对混凝土集料中的泥土比较敏感，含泥会使得减水剂的分散性能明显降低。本文通过分子结构设计，合成了一种新型的抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560。通过水泥静浆流动度和混凝土试验测试表明：所合成的抗泥保坍型减水剂PC-560具有良好的分散性及分散保持性能。尤其在集料含泥的情况下，其分散效果明显优于普通聚羧酸母液，具有良好的水泥适应性和混凝土保坍性能。
1 前言
聚羧酸减水剂作为新一代高性能减水剂，因其掺量低、减水率高、新拌混凝土流动性及保坍性好、低收缩、环境友好等一系列突出性能，已经广泛应用于市政、铁路、公路、港口、桥梁、水电等领域[1，2]。但是，由于受材料条件的限制，各地的砂石资源逐步短缺和恶化，特别是大中城市，有很多使用高含泥和尾矿砂以及两者的混合砂。而聚羧酸减水剂在黏土矿物中具有很强的吸附趋向，对集料含泥量有极高的敏感度，这给混凝土运输、工作状态以及强度等带来很大影响，阻止了聚羧酸减水剂的应用普及。当混凝土体系中的含泥量较高时，聚羧酸减水剂表现出减水率不足、坍落度损失大等现象。目前，工程中应对砂石高含泥量问题主要有两种方法：一是对砂石进行清洗；二是加大聚羧酸减水剂的用量。但这两种方法无法从根本上解决聚羧酸减水剂对砂石含泥量敏感的问题。因此，如何解决聚羧酸减水剂对砂石含泥量敏感的问题，将成为外加剂行业亟待解决的一个热点问题。
对于泥土影响聚羧酸减水剂的原因，德国慕尼黑工业大学教授Plank[3]认为泥土对聚羧酸减水剂也具有吸附作用，且吸附能力强于对水泥颗粒对聚羧酸分子的吸附，这种竞争吸附减少了用于分散水泥的聚羧酸分子数量，进而降低聚羧酸减水剂的分散效率，引气性能损失。王子明教授等[4]利用总有机碳（TOC)测定了高岭土和膨润土对各种聚羧酸减水剂的强烈吸附，同时发现水泥对聚羧酸减水剂的吸附量随时间延长而不断增加，而黏土对聚羧酸减水剂吸附很快，初始阶段就将达到其平衡吸附量。从复配角度出发，藏军等[5]发现通过复配具有抗泥作用的小料减少黏土对聚羧酸减水剂的影响。刘立新[6]等发现聚乙二醇分子以插入蒙脱石晶层间的方式进行吸附。小分子量的聚合物能优于聚羧酸减水剂分子进入到蒙脱石分子层中，可以减少黏土对聚羧酸减水剂的吸附，作为黏土吸附组分。
聚羧酸减水剂较萘系减水剂最大的优势是分子结构的可设计、可调变性，因此，从聚羧酸减水剂分子结构本身出发，通过引入能够减少黏土吸附的功能基团，开发一种适用于高含泥集料、反应过程简单、不含氯离子的聚羧酸减水剂，对于聚羧酸减水剂在预拌混凝土行业的大力推广与应用，具有很重要的意义。
本文在原有聚醚型聚羧酸减水剂的基础上，通过分子结构的设计，研制了一种抗泥型保坍聚羧酸减水剂PC-560，并探讨了该减水剂在不同水泥不同含泥量下的分散性和分散保持性以及在混凝土中的应用性能。
2 试验
2.1 试验原料与仪器
异丁烯醇聚氧乙烯醚大单体（TPEG，分子量2400)丙烯酸（AA)，分析纯；引发剂，分析纯；链转移剂，分析纯；还原剂，分析纯；功能型单体，抗泥型材料，分析纯；保坍型材料，分析纯；碱液；去离子水。
水泥，P•O42.5R级水泥；粉煤灰，株洲电厂；矿粉，湘潭华新矿粉S95;黏土，金锦乐(湖南）化学有限公司的膨润土。细集料，湘阴河砂（细度模数2.6,含泥量5.8%)粗集料，湘阴卵石（5〜31.5mm连续级配，含泥量3%)普通聚羧酸减水剂，采用自制减水剂（PC-101)，减水率达25%以上。
JJ-1电动搅拌器；HL-2B恒流泵；DK-98-II水浴锅；电子天平；四口烧瓶；NJ-160水泥净浆搅拌机；实验室混凝土搅拌机；压力试验机。
2.2 合成工艺
在带有搅拌器和温度计的四口烧瓶中加入一定量的去离子水和大单体TPEG，水浴加热烧瓶，待升温至一定温度且大单体完全溶解后，加入引发剂搅拌，然后开始用恒流泵控制流速并滴加丙烯酸、功能型单体、抗泥型材料、保坍型材料的混合溶液，同时另外滴加还原剂和链转移剂的混合溶液，两种溶液均恒定在一定的时间之内滴加完毕，然后继续搅拌保温2h。反应结束后，加入液碱，调节PH值至6~8,即得抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560。
2.3 水泥净浆流动度测试
水泥净浆流动度参照《混凝土外加剂均质性试验方法》（GB/T 8077-2012)中的水泥净浆流动度的相关标准进行测试，以不同的膨润土按内掺法取代相应质量的水泥，水灰比为0.29,减水剂掺量为0.2%(40%固含量聚羧酸减水剂）。
2.4 混凝土测试
混凝土性能测定按照《混凝土外加剂》（GB/T 8076-2008)、《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119-2013)、《普通混凝土拌合物性能测试方法标准》（GB/T50080-2020)及《混凝土泵送剂》进行实验。
3 检测结果与讨论
3.1 含泥量对PC-S60分散性及分散性保持能力的影响
抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560最大的特点就是对于含泥量偏高的砂石材料没有传统聚羧酸减水剂那么敏感，适应性较好。本文研究了不同黏土含量下PC-560与湖南铭煌科技发展有限公司研制的普通聚羧酸减水剂PC-101对三种不同水泥的静浆流动度的影响。水泥分别选自长沙市场上常用的海螺、中材和华新三种水泥，实验结果见表1~表3。
表1 两种减水剂在不同含泥量下静浆流动度（海螺水泥)
| 减水剂品种 |
含泥量 |
0 |
0.5% |
1.0% |
1.5% |
| PC-101 |
初始 |
270 |
240 |
190 |
120 |
| PC-101 |
lh |
225 |
195 |
125 |
75 |
| PC-560 |
初始 |
250 |
235 |
205 |
180 |
| PC-560 |
lh |
240 |
210 |
195 |
165 |
表2 两种减水剂在不同含泥量下静浆流动度（南方水泥)
| 减水剂品种 |
含泥量 |
0 |
0.5% |
1.0% |
1.5% |
| PC-101 |
初始 |
275 |
250 |
190 |
125 |
| PC-101 |
lh |
230 |
205 |
135 |
80 |
| PC-560 |
初始 |
265 |
245 |
210 |
190 |
| PC-560 |
lh |
250 |
220 |
200 |
160 |
表3 两种减水剂在不同含泥量下静浆流动度（华新水泥)
| 减水剂种 |
含泥量 |
0 |
0.5% |
1.0% |
1.5% |
| PC-101 |
初始 |
265 |
230 |
180 |
115 |
| PC-101 |
1h |
225 |
180 |
115 |
75 |
| PC-560 |
初始 |
250 |
230 |
210 |
180 |
| PC-560 |
1h |
240 |
210 |
195 |
160 |
由表1~表3数据可见!普通聚羧酸减水剂PC-101和抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560对于3种不同的水泥均有较好的适应性。与PC-101相比，当没有在水泥中内掺黏土时，PC-560初始静浆流动度略低于PC-101，但是分散保持性优于PC-101。在黏土含量为0.5%时，PC-560和PC-101初始静浆流动度基本相当，分散保持性仍优于PC-101。随着黏土含量的增大，无论是初始静浆流动度还是静浆流动度保持能力，在3种水泥中掺抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560的明显优于PC-101。尤其在黏土含量达到1.5%时，掺普通聚羧酸减水剂的lh后已经完全没有流动度了，而掺PC-560的静浆流动度lh后均在160mm以上。这说明抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560具有良好的材料适应性，更适合在含泥量较高的砂石材料中应用。
3.2 混凝土测试结果
为了更全面地评定抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560的性能，对该减水剂混凝土性能研究，主要包括：混凝土的坍落度、扩展度和抗压强度测试试验，并选用含泥量高的砂石料与普通聚羧酸减水剂进行混凝土性能对比，最好评定抗泥型聚羧酸减水剂的性能。试验中用C30混凝土，混凝土的配合比见表4。
表4 C30混凝土配合比
水泥
(kg/m3) |
II级粉煤灰
(kg/m3) |
S95矿粉 (kg/m3) |
河砂，含泥量5.8% (kg/m3) |
卵石，含泥量3% (kg/m3) |
水
(kg/m3) |
| 240 |
60 |
50 |
780 |
1120 |
150 |
选用3种不同的水泥对抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560和普通聚羧酸减水剂PC-101进行混凝土性能对比。水泥为长沙市场上常用的海螺、中材和华新水泥，均为P.O42.5,掺量为胶凝材料的2.0%。混凝土性能见表5。
表5 两种聚羧酸减水剂用不同水泥配制的混凝土性能对比
| 水泥 品种 |
外加剂品种 |
坍落度/扩展度（mm) |
抗压强度（MPa) |
| 初始 |
1h |
3d |
7d |
28d |
| 海螺 |
PC-101 |
210/560 |
175/450 |
21. 7 |
30.8 |
41.2 |
| PC-560 |
225/570 |
205/535 |
21.9 |
30.2 |
40.9 |
| 南方 |
PC-101 |
205/550 |
165/445 |
22.3 |
31.4 |
42.1 |
| PC-560 |
215/580 |
205/540 |
21.8 |
31.2 |
42.2 |
| 华新 |
PC-101 |
200/555 |
170/435 |
23.7 |
32.3 |
40.3 |
| PC-560 |
220575 |
200/530 |
24.2 |
32. 7 |
40.9 |
从表5可以看出，在混凝土集料含泥量较高的情况下，抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560与普通聚羧酸减水剂相比，具有明显良好的适应性和保持性，且抗泥保坍型减水剂对混凝土的强度没有影响。另外，三种水泥配置的混凝土黏聚性、和易性均较好。可见，抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560在含泥量较高的情况下，与普通聚羧酸减水剂相比有很明显的优势。
4 结论
通过对抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560进行水泥静浆流动度、水泥适应性、混凝土应用性能的研究，可以得出以下结论：
（1）普通聚羧酸减水剂PC-101和抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560与长沙市市销的大部分水泥均有良好的适应性。
（2）在集料不含泥的情况下，抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560的分散能力略低于普通聚羧酸减水剂PC-101 ；但是在含泥量逐步增大的情况下，抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560的分散能力明 显优于普通聚羧酸减水剂PC-101，且含泥量逐步增大，这种优势越明显。
（3）抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560无论在含泥土还是不含泥的情况下均具有较好的适应性和分散保持能力。
（4）在混凝土集料含泥量较高的情况下，抗泥保坍型聚羧酸减水剂PC-560与普通聚羧酸减水剂相比，具有明显良好的适应性和保持性，且抗泥保坍型减水剂对混凝土的强度没有影响。
参考文献
[1]卞荣兵，缪昌文.聚羧酸高效保坍剂的研制与应用[J].混凝土世界，1999, (19) 36-38.
[2]王子明.聚羧酸系高性能减水剂一制备、性能与应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[3] Lei L，Plank J. A concept for a palycarboxylate superplasticizer possessing enhanced clay tolerance [J]. Cement and Concrete Research， 2012 (10)， 1299-1306.
[4]王子明，吴昊.黏土对聚羧酸减水剂应用性能的抑制机理[].建筑材料学报，2014 (2)：234-238.
[5]藏军，等.一种解决聚羧酸高含泥量集料适应性差的方法[].商品混凝土，2013,（11): 33-34.
[6]刘立新，等.小阳离子聚合物-聚乙二醇协同防膨作用研究[].化工科技，2014,（3): 23-26.
作者：贺海量 闵亚红 赵志强 吴振军
信息来源：混凝土视频网
