聚羧酸盐高效减水剂方案

聚羧酸减水剂的合成与探究

实验目的

（1）了解聚羧酸系减水剂的分子结构；掌握聚羧酸系减水剂的合成原理和方法。

（2）掌握优化制备工艺的方法。

（3）掌握减水剂对水泥净浆塑化效果和新拌混凝土性能的影响。

（4）运用现代测试技术（如IR、XRD、SEM等）分析减水剂的结构和水泥浆体的动力学研究。

（5）掌握减水剂的复配技术。

实验原理

1.高效减水剂的作用机理

（1）静电斥力理论

静电斥力理论以 DLVO 平衡理论、双电层理论为基础，从表面物理学来看，水泥颗

粒是带有电荷的物质，水泥发生水化后，高效减水剂会定量吸附在它的表面，水泥颗粒表面带上相同电荷，形成双电子层，亲水基指向水相。DLVO 平衡理论认为，带电胶体粒子之间的相互作用力有两种，胶体粒子之间的长程力（范德华力）与双电层之间的静电排斥力，这两种相互作用力对胶体粒子的稳定性起着决定性作用。当引力处于优势地位时，胶体粒子产生聚沉现象；而斥力作用处于优势地位，并达到可以阻碍布朗运动产生相互碰撞聚沉时，胶体粒子就会保持稳定状态。

（2）空间位阻作用理论

溶剂化链就是能够和溶剂互溶的分子链，它和溶剂的互溶性良好，能够在水泥颗粒

表面包覆足够的厚度，发挥保护层的作用。但吸附有减水剂的水泥颗粒靠近时，减水剂中的长侧链就会被压缩，导致靠近的水泥颗粒被弹开而不能接近，发挥了空间位阻效应。同时水泥颗粒表面的减水剂对微粒体系本身也有稳定作用，主要表现在以下方面：①减水剂的存在会降低颗粒之间的引力位能；②水泥颗粒吸附减水剂后，产生新的排斥位能—空间位阻能。

（3）引气隔离“滚珠理论”

在混凝土硬化凝结之前，混凝土中有大量像滚珠一样独立、微小的气泡，导致混凝

土基料之间的运动有滚动摩擦变为滑动摩擦，使基料间的摩擦阻力变小。此外，小气泡也可以起到支撑与浮托细小基料的作用。因此，新制混凝土具备较好的流动性与和易性，同时不易泌水与沉降，这对于一些级配不好，性状不佳的骨粒效果尤其明显。

（4）络合作用

高效减水剂中的酸根离子结构可以和钙离子相互作用形成络合物，磺酸钙还可以和水泥颗粒结合，所以高效减水剂是通过钙离子作为媒介吸附在水泥颗粒上。溶解在水中的钙离子被吸附后，由于钙离子浓度变低，减少了 C-H-S 凝胶颗粒的形成，延缓了

Ca(OH)2形成结晶，从而导致水泥水化速度变慢，但随着水化的继续进行，络合物会自动分解，因而并不会影响到水泥的进一步水。大家普遍认为高效减水剂的分散作用机理主要是空间位阻效应，其次为静电排斥力作用与水化膜的润湿作用，同时面能效应与隔离“滚珠”效应也起到一定的作用。此外有关高效减水剂的作用机理还有浸润作用理论、枯竭效应、吸附分散理论等。

2.高效减水剂的构性关系：

（1）分子结构中非极性基团对其性能的影响

常见的非极性基团有：直(支)链饱和烃基、直(支)链不饱和烃基、芳香烃基、脂肪烃

基。非极性基团对高效减水剂性能的影响：①高效减水剂定向吸附于水泥颗粒表面时，非极性基团向外形成疏水膜层，故影响其疏水性的大小；

②影响高效减水剂的亲固力。高效减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，不仅要克服极

性基团的亲固力，还需克服非极性基团之间的缔结力；

③非极性基团还可通过空间作用、共轭作用以及诱导作用等形式，影响极性基团的

吸附能力。非极性基团主要决定高效减水剂的疏水性能，对其溶解度起决定性作用。

（2）分子结构中极性基团对其性能的影响

常见的极性基团有：羟基、羧基、氧肟基、磺酸基、聚烷氧基团等。极性基团对高

效减水剂性能的影响：

① -COOH 具有保坍、缓凝和减水作用，增加它的含量有利于增加混凝土的抗裂性

和保坍性，提高减水率，但过多的羧基又会明显的降低高效减水剂的分散性能。

② -SO3-可以起到高减水作用，但含有-SO3-的单体活性较低，并且聚合反应时会有

链转移现象，当大量加入此类单体时会使生成的高效减水剂分子主链过短，未参与反应的磺酸基单体又会和高效减水剂分子相互竞争吸附水泥颗粒，导致分散性能下降。

③酰胺基、羟基、胺基、酯基、氰基等基团可以起到增稳、分散、引气等作用，也

具有增加流动稳定性的能力。在适当范围内提高酯基的含量，会相应地提高减水剂的保坍作用，但随着酯基量的不断增大，引气性会迅速增加，小气泡也会增大，从而对保坍作用不利。引入一定量的酰胺基团单体对增大水泥流动性和降低经时损失有利。

（3）分子量对其性能的影响

高效减水剂是分散剂的一种，减水剂的分子量对其分散性起关键性的影响。由于高

效减水剂是一种阴离子表面活性剂，分子量过大会造成体系粘度变大，影响水泥颗粒的分散；但分子量过小，则会降低高效减水剂维持坍落度的能力，不仅容易产生凝胶现象，使水泥浆粘度变大，还会对主链上起减水作用的基团屏蔽，降低了对水泥浆的分散性能。Tanaka 通过 GPC 测定高效减水剂的分子量分布，取分布曲线最高峰的峰值为 Mp，认为要制得高分散性高效减水剂应该使（Mw/Mp）在 0 到 7000 之间。

（4）主链分子量对其性能的影响

主链分子量太大时(高于 70000)，高效减水剂太粘，分子构象卷曲，吸附很慢，分

散性能不好。但当分子量太小时(低于 5000)，高效减水剂粘度低，导致混凝土粘聚性不好，但吸附较快，分散性能很好。吸附太快又会导致混凝土坍落度损失大，因此，高效减水剂必须有合适的主链分子量，才能同时具有良好的分散能力和坍落度保持能力。一般主链分子量控制在 Mw为 10000 ~30000，此时既具有分散性又具有一定的分散保持性。如果单纯追求分散性能，则分子量最好保持在 5000~10000 比较合适，此时分散保持能力不好，但可以采取其他措施如接枝和交联来解决。

（5）主链酯基与吸附基团比例对其性能的影响

当主链分子量固定后，吸附基团与酯基的比例(CA/CE 比)对高效减水剂的分散性和

坍落度保持性能影响很大，任何一种高效减水剂要发挥其分散性首先必须能吸附在水泥颗粒上。因此由吸附基团控制的吸附行为对高效减水剂的减水作用有重要影响，其