低能耗高保坍型聚羧酸系减水剂的合成及性能

  合成工艺的低能耗是减水剂绿色制备的一个重要发展方向，研制高保坍型聚羧酸系减水剂解决现代混凝土施工中面临的坍落度损失控制难题具有重要实践意义。采用复合氧化－还原体系，在20℃条件下，以异戊烯醇聚氧乙烯醚、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯和丙烯酸为共聚单体，一步法合成了高保坍型聚羧酸系减水剂。通过单因素试验和正交试验研究了丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯、链转移剂、还原剂、氧化剂用量对聚合物分散性和保坍性的影响规律，得到了最佳合成工艺为:丙烯酸丁酯与丙烯酸羟乙酯等摩尔取代丙烯酸的用量为30%，链转移剂用量为0.25%，还原剂用量为0.22%，氧化剂用量为0.30%(占聚醚大单体质量)，反应时间为4h。与国外同类产品相比，按最佳合成工艺参数制备的保坍剂具有显著的小坍度保持能力和较低的掺量敏感性，特别适用于小坍落度高保坍要求的混凝土施工。

  聚羧酸系减水剂由于其分子结构功能化设计灵活多样，具有掺量低、减水率高、坍落度保持性能良好等优点，愈来愈受到国内外研究者的关注。聚羧酸系减水剂从20世纪80年代中期开始研究至今，在合成技术、产品性能提升等方面已有了长足进步，而国内起步相对较晚，从20世纪90年代末期开始研制，经过近20年的技术攻关，国内产品与国外产品的差距日益缩小，现已广泛应用于铁路、公路、核电、水利等相关领域的重点工程。

  坍落度损失是现代混凝土施工中面临的一个主要问题，国内外许多学者对混凝土坍落度损失机理及控制方法作了深入研究，并研制了一些能够有效抑制坍落度损失的外加剂产品。保坍型聚羧酸系减水剂的主要作用是使混凝土拌合物能够在较长时间内保持流动性，以满足现代混凝土的施工需要。就保坍型聚羧酸系减水剂功能实现而言，其分子结构设计思路主要通过形成交联和引入反应型分子结构单体来实现其保坍性能。
  目前，分子结构设计思路采用后者居多，直接利用酯类单体在碱性环境中的水解特性:随着水泥水化的进行，混凝土孔溶液呈强碱性，酯类单体在碱性环境中会逐渐水解，聚合物分子在水解反应过程中形成的羧基将持续不断地对水泥颗粒进行吸附、分散，从而保障混凝土能够在较长时间内具有良好流动性。在聚羧酸系减水剂早期合成工艺研究中，多在较高温度(60～80℃)条件下，单独使用过硫酸盐引发体系;近几年，其合成工艺更注重低能耗绿色方向发展，进行低温聚合工艺(30℃以下)研究，低温聚合常采用单氧化－还原体系，以双氧水－抗坏血酸、双氧水－硫酸亚铁、双氧水－硫酸氢钠和双氧水－吊白块体系应用较多。基于上述分析，本文通过在聚合物分子结构中引入一定量的酯基，在复合氧化－还原体系中进行水溶性共聚，在20℃条件下一步法制备高保坍型聚羧酸系减水剂(SＲA)，重点研究其合成工艺参数和保坍性能。

  (1)设计了以异戊烯醇聚氧乙烯醚、丙烯酸丁酯、丙烯酸羟乙酯和丙烯酸为共聚单体，采用双氧水为氧化剂、抗坏血酸和吊白块复合为还原剂，在20℃一步法合成了保坍型聚羧酸系减水剂，节能环保。

  (2)通过单因素试验和正交试验得到了最佳合成工艺参数:不饱和酸酯等摩尔取代丙烯酸的用量为30%，链转移剂用量为聚醚大单体质量的0.25%，还原剂用量为聚醚大单体质量的0.22%，氧化剂用量为聚醚大单体质量0.30%，反应时间为4h。

  (3)按最佳合成工艺参数制备的保坍剂与国外同类产品相比，合成产品具有显著的小坍度保持能力和较低的掺量敏感性，特别适用于小坍落度高保坍要求的混凝土施工，较低的掺量敏感性，在基本不影响混凝土初始流动性的前提下，能够掺入更多的保坍剂来满足施工要求，有效解决了实际应用中难以大幅度增加保坍剂掺量来提高混凝土保坍性能的难题。