改性聚天冬氨酸减水剂的合成及性能研究

改性聚天冬氨酸减水剂的合成及性能研究

牟国栋

山东铁正工程试验检测中心有限公司

摘要：本论文主要利用牛磺酸和乙二胺两种有机物对A、B、C三种不同分子量聚天冬氨酸（PASP）开环接枝改性，成功地接入了不同基团及增加支链的分子量，并从中选出一种效果最佳的改性PASP减水剂及其理想合成方案，解决了PASP减水剂改性前的强烈缓凝作用和较低减水率等问题，同时保持了原有的含泥敏感性低、保坍性好等优点。

关键词：改性聚天冬氨酸；混凝土；减水剂；坍落度；强度；耐久性

0引言

减水剂市场的主流产品已经转向聚羧酸系高效减水剂，随着聚羧酸系减水剂的用量不断增加及其应用范围的扩大，人们逐渐发现聚羧酸系减水剂在实际工程中存在的一些不足和缺陷，比如，聚羧酸系高效减水剂的含泥敏感性高和水泥的适应性差。由于优质混凝土原材的大量开发，导致现代粗细骨料的含泥量大量超标，使聚羧酸系高效减水剂的掺量提高，成本增加；由于国内的水泥品种繁多，不同水泥的矿物组分含量和颗粒细度也不尽相同，严重的影响了混凝土拌合物的性能[1]。PASP是一种新型绿色环保、适应性强、含泥敏感性差等优点的高效减水剂，但是，其缓凝作用强烈，减水率也不高[2]。本文通过对其进行化学开环改性研究，使其性能得到了大幅度的提升和改善。

1试验原材料

水泥：采用尧柏水泥，其性能符合GB175-2007《通用硅酸盐水泥》。

水：采用地下水，其性能符合JGJ63-2006《混凝土用水标准》、TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》。

聚天冬氨酸：试验室自己合成A、B、C三种不同分子量PASP，其化学性能符合GB8076-2008《混凝土外加剂》要求。

如表1-1，为合成改性PASP的主要原材及设备。

表1-1改性PASP减水剂主要原材及设备

2改性PASP减水剂的合成

针对改性PASP的合成影响因素进行系统性的研究和分析，探究改性PASP的合成方法和原理。试图利用全正交试验建立不同跨度的影响区间，综合的研究了温度、时间、pH值、反应摩尔比等因素对改性产物的影响[3]，建立了六组不同L9（34）正交设计方案。PSI是合成PASP的中间体，所以，以此作为改性方案实施的发起点，PSI在碱性环境中可以断裂高分子单元链的C-N，使C和N分别拥有单个自由电子，而两种有机物在碱液中，使-NH2中的一个N-H键断裂，形成-NH-键。-NH-键与-CO-键结合形成肽键，这样就将四种有机物分别连接到PSI基本单元上，引入了新的官能团，也增长了分子的支链结构。

如图2-1，为改性PASP的合成流程图。

经计算考核因素指标和因素曲线图等综合分析，最终确定乙二胺改性A分子量PASP的最佳合成条件为：摩尔比为0.9，温度25℃，时间1h，pH值为10，改性PASP化学性能符合GB8076-2008《混凝土外加剂》要求。

为了验证改性接枝的成功性，文章进行了傅里叶红外分析技术。如图2-2，为乙二胺改性PASP减水剂的红外分析图。

图2-2AY与PASP红外图谱

由图2-2可以得出，AY减水剂在3286cm-1处出现了酰胺基中的N-H键的伸缩吸收峰，这点和PASP类似；在2946cm-1处出现了亚甲基-CH2的C-H伸缩振动吸收峰；在1652cm-1处出现了羧酸根-COO-中C=O振动偶合吸收峰；在1555cm-1处出现了酰胺基中的C=O吸收峰；在1395cm-1处出现了仲酰胺基中的N-H弯曲振动吸收峰；在1067cm-1出现与羟基相连的C-0键的伸展振动吸收峰，而PASP在1067cm-1处并未出现吸收峰，以上特征说明AY分子结构中含有酰胺基、仲酰胺基、亚甲基和羧基且存在单独的羟基基团，即是表明羟基已经成功接枝到聚天冬氨酸分子链上。

3性能分析

文章研究了改性PASP减水剂的减水率、坍落度及其经时损失、抗压强度、含泥敏感性等性能。

3.1减水率

将液体减水剂折算成固含量，分别按水泥的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%掺入到混凝土中，通过坍落度的变化情况，确定减水剂的饱和掺量及饱和掺量的减水率。如表3-1-1，为乙二胺改性A分子量PASP减水剂不同掺量下的坍落度值。

表3-1-1改性PASP坍落度

由表3-1-2可得：改性PASP减水剂在饱和掺量0.6%的掺入量时，减水率可以达到21%左右，符合高效减水剂的要求，且相比改性前掺量由1.0%降低到0.6%，减水率由18%提高到21%。改性PASP减水剂的结构与聚羧酸相近，减水的方式也相似[3]。

3.2坍落度经时损失

混凝土拌合物搅拌后随时间延长而逐渐变稠，坍落度降低，和易性变差，这种现象称为坍落度经时损失。本节研究了改性PASP在饱和掺量下的坍落度经时损失，测试结果参见表3-2-1。

表3-2-1改性PASP坍落度经时损失

由表3-2-1可得：在基准混凝土中30min坍落度损失43.75%，60min损失62.5%；改性后PASP减水剂的0.5h损失值仅为10.3%，1h的损失率为17.9%，相比基准混凝土得到了大幅度的降低，比改性前也分别降低了0.8%和1.5%。

3.3混凝土抗压强度

在研究改性PASP减水剂对混凝土抗压强度影响指标时，分别成型未掺减水剂的混凝土试件和掺入PASP减水剂及改性PASP减水剂的混凝土试件，在配合比设计过程中，保证用水量恒定，只考虑减水剂单因素对混凝土强度的影响。如表3-3-1，为不同龄期的抗压强度值。

表3-3-1混凝土抗压强度MPa

由表3-4-1可以得出：混凝土坍落度随着含泥量的增加，在不断的减少。聚羧酸减水效果明显，当含泥量较小时，其坍落度比PASP减水剂大，但是，随着含泥量不断的增加，聚羧酸减水剂的坍落度下降速率明显偏大，而且，坍落度经时损失也远远大于PASP减水剂。改性PASP减水剂的含泥敏感性稍差改性前，但含泥敏感性明显优于聚羧酸减水剂。这说明改性PASP的含泥敏感性基本保持了原有的性能。

如表3-4-2，为各减水剂对不同含泥量混凝土抗压强度的影响。

表3-4-2抗压强度含泥敏感性MPa

由表3-4-2可以得出：混凝土强度随着含泥量的增加，不断的减少[6]。在含泥量为3%和5%时，聚羧酸减水剂的试件抗压强度略高于改性PASP减水剂试件强度，当含泥量达到7%时，其不同龄期的强度明显呈快速下降趋势，而改性PASP减水剂的强度在缓慢下降，此时的混凝土试件强度已明显高出聚羧酸减水剂试件，这说明改性PASP减水剂的含泥敏感性要低于聚羧酸减水剂，PASP减水剂的含泥敏感性最低，但是其早期强度较低，难以得到推广使用。PASP系减水剂具有此优良性能可能由于其本身对粘土具有一定的分解能力[7]。

4结论

聚天冬氨酸是一种绿色环保的有机物，在工业、农业、医学等重要领域都有应用，本文将PASP进行改性，作为一种混凝土减水剂进行了研究，具有很高的创新性。本文通过正交设计方案对PASP进行了成功地改性，并且选中了一组最佳效果组合；同时，与改性前和聚羧酸减水剂进行了某些性能的对比，展现了改性PASP减水剂在保坍性、力学性能、含泥敏感性等方面的良好性能，为以后聚天冬氨酸的发展和混凝土减水剂的革新具有较大的推动作用。

虽然聚天冬酸性能优越，可以弥补聚羧酸减水剂的一些缺陷，但是，现处于萌芽阶段，其减水机理、复配适应性、混凝土耐久性等特性还不够清楚，仍需要大量的试验性研究。

参考文献：

[1]HANEHARA，YAMADAK.Interactionbetweencementandchemicaladmixturefromthepointofcementhydration，absorptionbehaviourofadmixtureandpasterheology[J].CementandConcreteResearch，1999，29（8）：1159-1165．

[2]张广田．聚天冬氨酸在混凝土中的应用研究[D]．河北：石家庄铁道大学，2014．

[3]闫美芳．聚天冬氨酸接枝共聚物的合成及性能研究[M]．河北：河北工业大学，2007．

[4]张国政，唐林生．醚型聚羧酸减水剂的作用机理研究[J]．青岛科技大学化工学院．2011，25（1）：24-26．

[5]张丽超．骨料中含泥量对聚羧酸系外加剂工作性能影响的研究[J]．长春工程学院学报，2013，14（3）：4-7．

[6]张瑞芳．含泥量对混凝土强度的影响[J]．建材技术与应用，2007（8）：8-9．

[7]徐群杰，黄诗俊．绿色水处理缓蚀剂聚天冬氨酸的研究进展[J]．上海电力学院学报，2006，22（1）：71-74．