萘系高效减水剂改性研究
摘要：本文研究了木质素磺酸盐接枝共聚萘系高效减水剂的可能性。
实验探讨并调整两种减水剂的质量比、时间和温度，成功实现了两种减水剂的接枝共聚。
性能对比实验结果表明，形成的改性萘系高效减水剂具有减水率高、坍落度损失小、合成成本低，大大改善了萘系减水剂的性能。
关键词：萘系高效减水剂；木质素磺酸盐；接枝共聚
1 前言
我国目前在商品混凝土中使用的混凝土减水剂都是通过与不同外加剂复合，运用于工程之中。
单一组分的高效减水剂对水泥和混凝土的减水效果显著，但往往难以满足新拌混凝土的工作性能及混凝土硬化后的特定性能要求。
因此，新型混凝土减水剂的发展方向之一。
萘系高效减水剂(FDN)减水率高、分散性好，但是坍落度损失过快，不利于应用，直接影响到减水剂的使用效果。
由于工业萘价格不断上扬，导致了萘系减水剂的成本偏高。
由于萘系减水剂自身存在不足，对其改性已成为必然。
通过接枝共聚，在萘系高效减水剂分子主链上引入支链结构，使吸附了减水剂的水泥颗粒在颗粒间电荷斥力不变的情况下提高水泥颗粒分子之间的位阻斥力，使水泥颗粒之间的分子排斥力进一步增强，阻止水泥颗粒间的絮凝，达到控制坍落度损失过快的目的。
2 实验
1.1原材料
萘系高效减水剂：山东产，固含量39%；木质素减水剂：甘肃产；液碱：含量30%，福建产。
石子：北京卢沟桥碎卵石，含泥量0.4％，针片状含量3.6％，最大粒径20mm，泥块含量无；砂：卢沟桥中砂，细度模数2.8，含泥量1.5％，泥块含量无；水泥：GB8076-2008规定的基准普通硅酸盐水泥；粉煤灰：Ⅱ级。
1.2 合成工艺
将木质素减水剂按一定比例缓慢加入萘系减水剂中，恒温下接枝反应一段时间，加碱调整其pH值在7~9之间，即得到改性萘系高效减水剂(m-FDN）。
另外，为了验证接枝合成的效果，进行木质素减水剂与萘系减水剂的冷复配实验，即在常温下将木质素减水剂与萘系减水剂按一定比例混合配制。
1.3性能测试方法
水泥净浆流动度：按照GB/T8077-2000《混凝土外加剂均质性试验方法》进行测试。
混凝土拌合物的减水率、坍落度保持性、密度及混凝土抗压强度：按
GB8076-2008《混凝土外加剂》进行测试。
采用毛细管测试减水剂溶液的表面张力，采用红外光谱仪分析本实验合成的改性萘系高效减水剂、萘系减水剂、木质素磺酸盐减水剂的分子结构。
3 实验结果与讨论
3.1 木质素减水剂与萘系减水剂的质量比对水泥净浆流动度的影响
通过实验发现，木质素磺酸盐与萘系减水剂两者不同的质量比对产品性能有较大影响。
由图1可知，质量比为20%的效果最好。
当质量比太高时，木质素磺酸盐的含量增多，合成的改性萘系减水剂分子质量偏高，黏度增大，反应不宜进行；但含量过低时，又容易使反应速度加快，分子量分布不均匀，分散性能降低。
3.2 保温时间对水泥净浆流动度的影响
通常情况下，缩合反应产物的分子量随着保温时间的延长而增大，减水剂的性能与分子量密切相关，因此控制反应时间至关重要。
从图2中可以看出，在保温时间为2h 时，掺改性萘系减水剂的水泥净浆流动度效果不是很明显，主要原因是分子合成不完全，产物的分子量较小，而要形成合适的分子结构需要更长时间的分子碰撞缩合。
当反应温度到4h ，体系内又因为生成了许多大分子凝胶状物质，影响了它的分散性能和减水作用。
当保温时间增加到5h ，在改性萘系减水剂的低掺量时，水泥净浆的初始流动度比保温4h 的减水剂要好一些，但在高掺量时，水泥净浆的初始流动度开始慢慢的变差，综合考虑， 最佳保温时间选择在3h 左右。
3.3 保温温度对水泥净浆流动度的影响
由图3可知，保温温度80℃时，由于温度较低，没有达到反应活性点，反应溶液中可以活化的分子很少，合成的改性萘系减水剂大多分子量较小，没有让分子量分布范围中，所以得到的水泥初始流动度较小。
当温度达到100℃以上，反应溶液中的活化分子较多，故可以按设定反应进行，合成适合分子量分布的改性减水剂，所测改性减水剂的初始流动度也较好。
由图可以看出保温温度在100~105℃效果最好。
而当温度超过105℃时，发生凝胶现象。
图1 不同质量比制得的改性萘系减水剂对水泥净浆初始流动度的影响 图2 不同保温时间制得的改性减水剂对水泥净浆初始流动度的影响
图3 不同保温温度制得的改性萘系减水剂对水泥净浆初始流动度的影响
3.4混凝土应用试验
采用3个不同强度等级的混凝土进行试验，将改性前后的萘系减水剂进行混
凝土验证，控制初始坍落度相当，比较掺改性前后减水剂混凝土的保坍性和强度。
试验混凝土的基础配合比见表1，实验结果见表2。
表1 混凝土的基础配合比kg/m3
强度等级水灰比水泥砂石粉煤灰水C30 0.48 280 782 1047 74 170
C40 0.43 348 720 1030 92 190
C50 0.33 380 687 1075 100 158
表2 萘系减水剂改性前后混凝土应用实验结果
由表3可以看出，与FDN相比，m-FDN掺量较小，说明其减水率得到提高；混凝土的坍落度损失比改性前减小，说明经改性的m-FDN保坍性能有所提高；抗压强度测试结果显示，掺改性后萘系减水剂混凝土的抗压强度有所提高。
3.5 表面张力
萘系高效减水剂是一种表面活性物
质，它降低了水泥—水界面的界面张力，
有利于水泥颗粒的分散。
改性前后萘系减
水剂溶液的表面张力测试结果见图4。
从图4可以看出，当两种减水剂浓度较
低时，表面张力降低幅度较大；当浓度增
大到0.01g/L后，随着浓度的增大，溶液的
表面张力降低幅度较小，说明此时减水剂
分子在溶液中已经开始形成胶束；浓度大
于0.05g/L时，表面张力基本无变化，表明
此时减水剂浓度已经过临界胶束浓度。
从图4改性前后萘系减水剂溶液的表面张力
图4还可以看出，无论是稀溶液还是浓溶液，改性后减水剂m-FDN的表面张力均
比改性前FDN小，表明萘系减水剂经改性后可提高水泥一水体系的分散稳定性。
4结构与性能的关系
4.1 红外(IR)谱图
分别将木质素减水剂、萘系减水剂、改性萘系减水剂的样品烘干，并将0.5-1.0 mg 固体样品与150mgKBr一起粉碎，用压片机压成薄片，进行红外光谱测试。
红外谱图见图5～图7所示。
4.2红外分析
接枝改性前木质素减水剂分子结构中醇羟基存在1083.82cm-1处的伸缩振动、1415.10cm-1处的变形振动和632.18cm-1处的面外变形振动谱带，但接枝改性后这
些特征峰消失，而在改性萘系减水剂的结构中Ar-SO2-O-R在1357.48cm-1出现了
强烈振动谱带。
这说明木质素减水剂已成功接枝到萘系减水剂的分子主链中。
由
于木聚萘系减水剂形成了梳状结构，增大了分子间的空间位阻，阻止了水泥颗粒
的絮凝，可以较长时间地保持水泥浆体的分散能力，克服了萘系减水剂坍落度损
失过快的缺点。
图5 木质素减水剂红外谱图图6 萘系减水剂红外谱图图7 改性减水剂红外谱图
5结论
(1)通过对木质素减水剂、FDN减水剂和m-FDN减水剂的红外光谱对比分析
可知，木质素减水剂和萘系减水剂之间发生了接枝反应，形成的m-FDN
减水剂是一种新型物质，其性能优于萘系减水剂FDN。
(2)与萘系、冷复配减水剂相比，掺改性萘系减水剂的水泥净浆流动度经时损
失较小，且无泌水现象。
(3)在萘系减水剂的分子主链上接枝木质素分子支链，充分发挥吸附了减水剂
分子的水泥颗粒间的位阻斥力，使产物具备了高减水、高保坍的性能，克
服了萘系减水剂坍落度损失过快的缺点，提高了水泥一水体系的分散稳定
性，同时m-FDN减水剂生产成本可大大降低。
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