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作为新一代减水剂的聚羧酸系减水剂(PC)具有掺量低、高分散性、保坍性好、分子结构可调控性强、生产中不使用甲醛等突出优点,是高性能混凝土减水剂的发展方向和研究热点。然而, PC结构复杂多变,其分子结构与应用性能的关系仍不是非常清晰,此外,其在水泥体系中吸附构象的说法也较多。因此,对PC的研究有利于进一步提高其应用性能,充分掌握其应用性能的规律,从而推动高性能混凝土的发展。本论文首先研究了PC的合成工艺和各单体对其分散性能的影响,在此基础上,设计并合成了四个系列的PC,分别为(1)不同支链系列PC:其支链分别为单一短支链、长短支链结合、单一长支链;(2)不同磺酸根系列PC:其磺酸根含量逐渐增加;(3)不同羧酸根系列PC:其羧酸根含量逐渐增加;(4)不同分子量系列PC:其分子量逐渐增加,采用GPC、IR和NMR等方法对PC的分子量和结构进行了表征。然后,研究了PC在溶液中的微结构,测试了它们对水泥的减水分散等应用性能,考察了其对水泥浆流变特性的影响。最后,用理论计算的方法研究了分子结构与分散性能的关系。采用芘探针、AFM、TEM、DLS研究了不同支链系列PC和不同分子量系列PC的微结构。通过芘探针荧光光谱法和AFM探测PC自组装膜的形貌,结果发现,PC在水溶液中为无规则的超枝化结构聚集体。此外,在中性溶液中,长支链的PC聚集程度最大,长短支链的PC次之,短支链的PC最小,它们在石英玻璃表面自组装后的均方根粗糙度依次减小,分别为0.568nm、0.440nm、0.300nm;大分子量的PC比小分子量的PC聚集程度更大,它们在石英玻璃表面自组装后的均方根粗糙度分别为0.630nm、0.521nm。在强碱性溶液中,短支链的PC聚集程度最大,长支链的PC次之,长短支链的PC最小,这是由于聚羧酸分子的阴离子基团电离后产生的静电排斥对其作用力不同导致的;但不同分子量系列PC的聚集程度大小与中性溶液的规律一致,即大分子量的PC聚集程度比小分子量的PC大。TEM和DLS研究结果发现,在中性溶液中,PC形成的团聚体体积大小不一,粒径分布不均匀,长支链的PC形成聚集体的粒径最大,长短支链的PC次之,短支链的PC最小,它们在溶液中的平均粒径依次减小,分别为96.8nm、76.9nm、36.5nm;大分子量的PC形成聚集体的粒径比小分子量的PC大,它们的平均粒径分别为272.0nm、48.5nm。本文系统研究了四个系列PC在水泥体系中的应用性能,主要包括:水泥净浆流动度、流动度损失率、凝结时间、泌水率和减水率等。结果表明,对于不同支链系列PC,长短支链的PC对水泥净浆流动度的分散性能最优,长支链的PC次之,短支链的PC最差;长支链的PC产生的流动度损失率最大,长短支链的PC次之,短支链的PC最小;短支链的PC对水泥浆体产生的凝结时间最长,长短支链的PC次之,长支链的PC最短,产生的终凝时间分别为205min、177min、154min;短支链的PC对水泥砂浆产生的泌水率最大,长短支链的PC次之,长支链的PC最小,其值分别为1.01%、0.81%、0.65%。对于不同磺酸根或羧酸根系列PC,随着磺酸根或羧酸根含量增加,它们对水泥净浆流动度的分散性能呈现先增加后减小的趋势,其中,羧酸根与支链比例为3.6:1时,其分散性能达到最优;产生的流动度损失率逐渐增大;导致水泥浆体的凝结时间有不同程度的增加,其中,磺酸根增加导致凝结时间的增加很小,羧酸根增加导致凝结时间的增加较为明显;导致砂浆的泌水率增加。对于不同分子量系列PC,随着分子量增加,它们对水泥净浆流动度的分散性能呈现先增加后减小的趋势,其中,当重均相对分子量为62100时,其分散性能相对较优;产生的流动度损失率逐渐增大;导致水泥浆体的凝结时间略有增加;导致砂浆的泌水率略有增加。采用五种经典的流变模型拟合水泥浆流变曲线,确立了Herschel-Bulkley模型为拟合流变曲线的最优流变模型。系统研究了掺四个系列PC水泥浆的流变性能,结果发现,长短支链的PC降低水泥浆表观黏度的能力最强,长支链的PC次之,短支链的PC最差。随着PC的磺酸根或羧酸根含量增加,其降低水泥浆体黏度的能力表现为先增加后减小。当掺量和水灰比改变时,中等分子量的PC对水泥浆体产生的表观黏度均最小;当测试条件为高掺量时或高水灰比时,大分子量的PC比小分子量的PC对水泥浆体产生的表观黏度小;当测试条件变化为低掺量时或低水灰比时,大分子量的PC比小分子量的PC对水泥浆体产生的表观黏度大,该研究结果为聚羧酸系减水剂的实际应用提供了重要参考。采用球形颗粒的静电排斥作用能公式和球形颗粒之间位阻势能公式计算了吸附PC水泥颗粒的斥力总位能,结果发现,短支链的PC产生的斥力总位能偏小且作用距离范围短;在颗粒距离小于10～13nm范围时,长短支链的PC产生的斥力总位能大于长支链的PC,结合水泥浆实验,认为水泥颗粒之间的相互作用主要发生在该范围内;此外,随着PC羧酸根或磺酸根含量的增加,其产生的斥力总位能均表现先增加后减小的规律;中等分子量的PC比小分子量的PC或大分子量的PC产生的斥力总位能大。由此可见,四个系列PC产生的斥力总位能的变化规律与它们在水泥浆中的分散性能的变化规律是基本一致的。综合认为,斥力总位能的计算结果从理论上解释了四个系列PC的分子结构与它们在水泥浆中分散性能的关系。