葡萄糖酸鈉改性萘系高效減水劑的研究

摘要: 通過接枝改性合成葡萄糖酸鈉改性萘系高效減水劑，闡述了該減水劑的合成工藝，分析了合成產(chǎn)品的紅外光譜并比較改性前后萘系減水劑在流動度、表面張力、表面吸附量、坍落度、減水率和抗壓強(qiáng)度等性能的差別。實驗結(jié)果表明，通過接枝改性，使改性后的萘系減水劑的減水率提高3.39%，2 h 坍落度損失率減小41.49%，克服了傳統(tǒng)萘系減水劑坍落度損失大的缺點，同時提高了混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞: 葡萄糖酸鈉; 接枝改性；萘系高效減水劑；坍落度損失；減水率

中圖分類號: TU528.042.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1001- 702X（2007）04- 0009- 03

0 前言

　　隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，要求高效減水劑應(yīng)具有減水率高、流動性大、能有效地控制坍落度損失等功能。萘系高效減水劑雖然減水率高，但坍落度損失過快，不利于商品混凝土的集中攪拌，直接影響到減水劑的使用效果。因此，如何解決萘系減水劑坍落度損失過快的缺點已成為進(jìn)一步推廣應(yīng)用該類高效減水劑必須解決的首要問題。

　　根據(jù)分子設(shè)計原理[1]和位阻斥力理論[2]，通過接枝共聚，在萘系高效減水劑分子主鏈上引入支鏈結(jié)構(gòu)，使吸附了減水劑的水泥顆粒在顆粒間電荷斥力不變的情況下提高水泥顆粒分子間的位阻斥力，使水泥顆粒之間的分子排斥力進(jìn)一步增強(qiáng)，阻止水泥顆粒間的絮凝，達(dá)到控制坍落度損失過快的目的。

1 實驗部分

1.1 合成方法

1.1.1 主要原料

　　萘：工業(yè)品；液堿：工業(yè)品；苯磺酰氯：分析純；濃硫酸：質(zhì)量濃度98%；甲醛：工業(yè)品，含量36%～38%；吡啶：化學(xué)純、分析純；葡萄糖酸鈉：工業(yè)品；自來水。

1.1.2 合成工藝

該合成工藝分成2 步[3- 4]：

　?。?）首先將葡萄糖酸鈉溶解到吡啶中，在室溫下滴加苯磺酰氯的吡啶溶液，反應(yīng)8～10 h，反應(yīng)完畢后將溶劑蒸發(fā)掉，再加入萃取劑進(jìn)行萃取，所得的重組分即為改性劑。

　?。?）將萘加入到反應(yīng)器中加熱使之熔化，啟動攪拌并繼續(xù)升溫，于150～160 ℃滴加濃硫酸，在160～170 ℃保溫2～3 h，然后降溫到100～120 ℃時加水，水解30 min，得到萘磺化后的水解產(chǎn)物。

　　將改性劑加入到萘磺化后的水解產(chǎn)物中，升溫到70～80℃滴加完給定的甲醛，繼續(xù)升溫到95～110 ℃，反應(yīng)3～4 h，反應(yīng)后的體系用堿中和，即得葡萄糖酸鈉改性萘系高效減水劑。

1.2 性能測試

1.2.1 試驗材料

　　水泥：堡壘42.5R 型復(fù)合硅酸鹽水泥，華新水泥股份有限公司；砂：河砂，Mx=2.6；石子：5～20 mm，二級配；萘系減水劑：β- 萘磺酸甲醛縮合物（FDN- 1），武漢浩源建材有限公司。

1.2.2 測試方法

（1）表面張力

　　采用毛細(xì)管法測量減水劑溶液的表面張力。

（2）表面吸附量

　　配制一定濃度的減水劑溶液，與水泥拌和3 min（W/C=4.0），靜置一段時間，去上層清液，用800 型離心沉淀器（轉(zhuǎn)速4000 r/min）分離10 min，稀釋分離出來的液相，用752 型紫外- 可見光分光光度計測定其濃度，根據(jù)吸附前后的濃度差計算吸附量。

（3）水泥凈漿流動度

　　按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》測試，W/C=0.35。

（4）混凝土性能

　　混凝土抗壓強(qiáng)度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》進(jìn)行測試；坍落度按GB/T 50080—2002《普通混凝土拌和物性能試驗方法》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 減水劑的表面張力

　　萘系減水劑是一種表面活性物質(zhì)，它降低了水泥- 水的界面張力，有利于水泥顆粒的分散。改性前后減水劑溶液的表面張力見圖1。

　　從圖1 可以看出，當(dāng)2 種減水劑濃度較低時，表面張力降低較大，當(dāng)濃度增加到0.01 g/L 后，隨著濃度的增加，溶液的表面張力降低較小，說明此時減水劑分子在溶液中已經(jīng)開始形成膠束。濃度超過0.05 g/L 后表面張力基本不變，表明此時減水劑濃度已經(jīng)超過臨界膠束濃度。同時還表明，無論是減水劑稀溶液還是濃溶液，改性后的減水劑溶液表面張力均比改性前的表面張力小，這是因為改性后減水劑的支鏈上有多個活性基團(tuán)—OH，大大降低了溶液的表面張力，提高了水泥- 水體系的分散穩(wěn)定性。

2.2 減水劑摻量對水泥顆粒表面吸附量的影響減水劑摻量對水泥顆粒表面吸附量的影響見圖2。

　　從圖2 可以看出，低摻量下萘系減水劑在改性前后的吸附量均隨著摻量的增加而增大，當(dāng)減水劑摻量超過0.6%（均以固體份計，下同）后，吸附量增加較小，都趨于一極限值，與萘系減水劑的推薦摻量0.6%相吻合。但是與改性前的萘系減水劑相比，改性后的萘系減水劑對水泥顆粒的吸附量極限值較小，使得吸附后溶液中減水劑的濃度較高，對體系的分散作用較強(qiáng)，使得體系的流動性增大，這與圖3 中水泥凈漿流動度的測試結(jié)果相一致。

2.3 水泥凈漿流動度的經(jīng)時變化

　　圖3 為萘系減水劑改性前后, 摻量為水泥質(zhì)量的0.44%時的水泥凈漿流動度經(jīng)時變化曲線。

　　從圖3 可以看出，摻改性前后萘系減水劑水泥凈漿的初始流動度相同，但是摻改性前萘系減水劑的水泥凈漿流動度經(jīng)時變化比較明顯，90 min 時凈漿流動度損失率達(dá)21.67%，但是經(jīng)改性后損失率僅4.67%；120 min 時改性前的凈漿流動度損失率達(dá)23.33%，而改性后損失率僅11.67%。

2.4 紅外光譜分析

　　圖4 為萘系減水劑的改性劑和經(jīng)改性后萘系減水劑產(chǎn)品的紅外光譜。

　　從改性劑的紅外光譜圖可以看到，3376.90 cm- 1 處是葡萄糖酸鈉分子中的羥基產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收峰，1781.28 cm- 1 處是葡萄糖酸鈉分子中—COOH 產(chǎn)生的吸收峰，1487.41 cm- 1 和1444.78 cm- 1 處是苯環(huán)的骨架振動吸收峰，1346.77 cm- 1 和1180.72 cm- 1 處是改性劑中磺酸酯—SO2—O—基團(tuán)產(chǎn)生的吸收峰，這說明葡萄糖酸鈉分子已經(jīng)接枝到苯磺酰氯上；在指紋區(qū)，由于苯環(huán)仍是一元取代，其特征吸收峰的波數(shù)變化不大，為756.01 cm- 1、730.68 cm- 1 和681.16 cm- 1。

　　經(jīng)改性后減水劑的紅外光譜與改性劑的紅外光譜相比，在1400～1180 cm-1 波段，光譜的形狀和特征吸收峰的波數(shù)基本上保持不變，歸屬于—SO2—O—的特征吸收；在3427.09 cm-1 附近，是葡萄糖酸鈉分子中—OH 和樣品吸潮后水中的—OH 產(chǎn)生的強(qiáng)烈吸收峰。不同之處在于[5]：葡萄糖分子中的羧基，由于和磺酸基之間形成氫鍵，使得吸收峰的特征波數(shù)降到1601.75 cm-1；在1118.47 cm-1 和1035.94 cm-1 處，有較強(qiáng)烈的特征吸收峰，歸屬于磺酸吸水后形成的水合物所產(chǎn)生的吸收峰；在指紋區(qū)，由于苯環(huán)也被縮合到分子主鏈中，使其由原來的一元取代變成了三元取代，而且兩端是供電子基—CH2—，因此，特征吸收峰的頻率下降，為681.56 cm-1 和615.87 cm-1，這就證明接枝后的改性劑已經(jīng)成功地縮合到萘系減水劑的分子主鏈中。

2.5 混凝土試驗

　　表1、表2 為改性前后萘系減水劑在混凝土中的應(yīng)用效果比較，試驗中減水劑的摻量均為水泥質(zhì)量的0.6%。

　　從表1 可以看出，改性后萘系減水劑的減水率提高了3.39%，而且3 d 和7 d 的抗壓強(qiáng)度分別增長了8.24%和19.99%，說明改性后的萘系減水劑具有明顯的減水、增強(qiáng)效果。這是由于改性后吸附了減水劑的水泥顆粒間分子的位阻斥力得到了增強(qiáng)，破壞了水泥顆粒間的絮凝結(jié)構(gòu)，從而提高了減水率，增長了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

　　從表2 可以看出，在相同的水灰比下，摻改性前后減水劑混凝土的初始坍落度基本相同，但是摻改性前萘系減水劑的混凝土在90 min 內(nèi)坍落度損失了41.94%，120 min 內(nèi)損失了67.74%，而摻改性后萘系減水劑的混凝土在90 min 和120min 的坍落度損失率分別為21.88%和26.25%，3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度分別增長了16.11%和0.8%。

3 結(jié)語

　　經(jīng)過接枝改性，在萘系減水劑的分子主鏈上接枝葡萄糖酸鈉分子支鏈，充分發(fā)揮吸附了減水劑分子的水泥顆粒間的位阻斥力，使得改性后的萘系減水劑克服了坍落度損失過快的缺點，在120 min 時坍落度損失僅為26.25%，坍落度損失率降低41.49%，而且減水率也提高了3.39%，3 d 和7 d 抗壓強(qiáng)度都有不同程度的增長?？梢?，通過接枝改性，使萘系高效減水劑具備了高減水、高保坍的性能，克服了坍落度損失過快的缺點。

參考文獻(xiàn):

　　[1] 汪劍偉，王正東，胡黎明.超分散劑的分子設(shè)計[J].化工進(jìn)展，1994（4）：32- 37.

　　[2] Collepardi M.Admixtures used to enhance placing characteristicsof concrete [J].Cement and Concrete Composites，1998，20：103 -112.

　　[3] 郭玉忠，錢和強(qiáng)，于冬勛，等.接枝改進(jìn)萘系減水劑的研究[J].江蘇建材，2003（2）：7- 8.

　　[4] 蘇硯溪，楊紀(jì)清.對氯苯磺酰氯的合成研究[J].化學(xué)世界，2001（12）：657- 658.

　　[5] 李潤，劉紅彥，張秀榮，等.紅外光譜法測定β- 萘磺酸鹽甲醛縮合物的核體數(shù)[J].化工礦物與加工，2001（11）：11- 14.