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聚羧酸系减水剂对水泥的分散能力严重受制于砂石中的粘土杂质,这主要由于粘土对聚羧酸分子极强的吸附能力。与水泥相比,粘土对聚羧酸分子的吸附能力更强,这导致吸附在水泥颗粒表面的聚羧酸分子数量急剧减少,致使聚羧酸减水剂对水泥的分散性能变差。为抑制粘土对聚羧酸系减水剂分散性能的不利影响,现阶段研究多集中在粘土改性剂与聚羧酸系减水剂的复合,但由于粘土改性剂掺量较高,限制了其应用。除优异的减水性能外,聚羧酸减水剂的一个显著特点是其性能可以通过分子结构进行调整,利用这一特点,本课题对聚羧酸减水剂的分子结构进行了优化设计,制备了一种侧链含有β-环糊精基团的粘土抑制型聚羧酸系减水剂。首先,设计合成了单烯基β-环糊精类聚合单体(MA-β-CD),制备了侧链含有β-环糊精基团的聚羧酸减水剂;然后,考察了β-环糊精类聚羧酸减水剂抑制粘土杂质不利影响的能力,提出了β-环糊精类聚羧酸减水剂与粘土的作用机理。同时,分析了β-环糊精类聚羧酸减水剂对含粘土混凝土体积稳定性的影响。主要研究内容与结果如下:(1)从与粘土的作用力、空间位阻效应和水溶性三个方面的需求,对β-环糊精类粘土抑制型单体的分子结构进行了设计,获得了单烯基β-环糊精类聚合单体:单6-甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙醇胺-β-环糊精(MA-β-CD)。对GMA/NH-β-CD的摩尔比例和催化剂等反应因素进行了探讨,发现GMA/NH-β-CD的摩尔比例为1.5,催化剂为H2O时,MA-β-CD的产率最高,可达84%。采用质谱(ESI-MS),核磁光谱(1H NMR,13C NMR)和红外光谱(FTIR)等分析方法对MA-β-CD的分子结构进行了分析,证实了MA-β-CD仅含有一个端烯基的结构特征。(2)改变MA-β-CD的含量,制备了侧链含有β-环糊精基团的聚羧酸减水剂,考察了β-环糊精侧链对聚羧酸减水剂分散水泥能力的影响。凝胶渗透色谱(GPC),1H NMR和FTIR等分析表明:β-环糊精类单体(MA-β-CD)已完全参与聚合反应,且位于聚羧酸减水剂的侧链中。水泥净浆试验表明,随着β-环糊精侧链含量的增加,β-环糊精类聚羧酸减水剂对水泥的分散能力先增强后减弱,在MA-β-CD/TPEG摩尔比例为0.24/0.76时(Poly(MAST)-24),其对水泥的分散能力最强。(3)以蒙脱土和高岭土为粘土杂质,分析了β-环糊精侧链对聚羧酸减水剂抑制粘土不利影响的作用,探讨了β-环糊精类聚羧酸减水剂与粘土的作用机理。(a)当粘土杂质为蒙脱土时,传统聚羧酸减水剂Poly(MAST)-0在蒙脱土含量为1.5wt.%(以水泥质量计,后同)时已完全失去对水泥的分散能力,而β-环糊精类聚羧酸减水剂受蒙脱土的不利影响随β-环糊精侧链含量的增加而变弱,如β-环糊精侧链含量较高的Poly(MAST)-24,其在蒙脱土含量为2.0 wt.%时仍具有一定分散能力;在高岭土含量为3.0 wt.%时,水泥净浆流动度达到22.5±0.5 cm所需β-环糊精类聚羧酸减水剂的掺量比传统聚羧酸减水剂的小,同时,其掺量随β-环糊精侧链含量的增加而减小,其中,以Poly(MAST)-24的掺量最小。这些结果表明β-环糊精侧链可以增强聚羧酸减水剂抑制粘土不利影响的能力。(b)粘土对β-环糊精类聚羧酸减水剂的吸附行为属Ca2+诱导的表面静电吸附。吸附试验证实,粘土对β-环糊精类聚羧酸减水剂的吸附量减小,如蒙脱土对Poly(MAST)-24的吸附量为118 mg/g,比传统聚羧酸减水剂的(215 mg/g)约减小50%。更进一步,提出了粘土对β-环糊精类聚羧酸减水剂的吸附机理,β-环糊精类聚羧酸减水剂抑制粘土不利影响能力的提高主要由于其侧链中的β-环糊精基团。(4)研究了β-环糊精类聚羧酸减水剂在含粘土混凝土中的分散作用。试验时,粘土杂质分别为蒙脱土、高岭土、泥(河砂)、泥(机制砂)。达到相同工作性能时,β-环糊精类聚羧酸减水剂的用量较传统聚羧酸减水剂的低,其中以Poly(MAST)-24的用量为最低;观察了β-环糊精类聚羧酸减水剂与普通硅酸盐水泥的适应性,其与标准稠度需水量较低的水泥适应性较好;采用高含泥的砂石配制不同强度等级混凝土时,Poly(MAST)-24的掺量比传统聚羧酸减水剂的低,对混凝土的抗压强度没有负面影响。这些结果说明β-环糊精类聚羧酸减水剂在含粘土混凝土中具有较强的分散作用,展现了极强的应用性。(5)开展了β-环糊精类聚羧酸减水剂对含粘土混凝土体积稳定性影响的研究工作。平板开裂试验表明,β-环糊精类聚羧酸减水剂(Poly(MAST)-24)可以延缓含粘土混凝土裂缝的出现,减小单位面积上的总开裂面积;干燥收缩试验证实,掺Poly(MAST)-24混凝土的收缩率比掺传统聚羧酸减水剂混凝土的小,这表明Poly(MAST)-24可以改善含粘土混凝土体积稳定性。本研究优化设计了单烯基β-环糊精类单体,合成了β-环糊精类粘土抑制型聚羧酸减水剂,实现了通过调控分子结构增强聚羧酸减水剂抑制粘土对分散性不利影响的目标,对更进一步深入理解聚羧酸减水剂分子结构与性能的关系具有促进作用。β-环糊精类聚羧酸减水剂(Poly(MAST)-24)在含粘土(或者泥)砂石配制的混凝土中仍表现出极强的分散能力,这对减少砂石中粘土对混凝土质量的影响具有重要意义。