混凝土作为迄今为止全世界应用最广泛的人造土木工程材料,是建筑工业的“脊梁”。随着对混凝土材料与相关技术的不断更新改进,越来越多的新型高性能混凝土不断出现,混凝土向高流态、高强度、低污染、易施工的方向发展。聚羧酸超塑化剂(Polycarboxylic ether superplasticizer,PCE)的使用体现了混凝土发展的“绿色、节能、可持续”理念。随着世界能源的不断消耗及环境的日益恶化,建筑节能日趋成为各国关注的焦点。常规法合成PCE存在工艺复杂、耗时长、能源消耗大等缺点,而微波合成(Microwave assisted synthesis,MAS)PCE技术,因具有清洁、高效、靶向等特点而倍受青睐。基于以上现实需求与研究现状,本文采用微波催化仪合成PCE(MAS-PCE),研究了MAS-PCE的制备工艺、聚合反应体系热-非热效应、微观聚合动力学、PCE在水泥浆体中吸附分散的性能以及该浆体的流变性能。(1)以水泥净浆流动度为表征分散性能的指标,与常规法合成(Conventional heating synthesis,CHS)PCE进行对比,研究了MAS-PCE工艺参数对其分散性能的影响规律,研究表明:在2.5<n(AA):n(TPEG)<6范围内,随着n(AA):n(TPEG)的增加,掺加MAS-PCE或CHS-PCE的新拌水泥浆体的初始净浆流动度与1h经时流动度均呈现先增后减的规律,当n(AA):n(TPEG)等于3.0时,MAS-PCE,CHS-PCE初始净浆流动度与1h经时流动度均达到最优;在0.12%<H2O2<0.28%范围内,随着H2O2用量的增加,掺加MAS-PCE新拌水泥浆体初始流动度逐渐增大,1h经时流动度呈现先增大后保持不变的趋势;掺加CHS-PCE新拌水泥浆体初始流动度与1h经时流动度则呈现出先增后减的趋势,当H2O2用量分别为0.28%,0.20%时,MAS-PCE与CHS-PCE的经时流动度值最大(317mm,270mm);在0.06%<Vc<0.30%范围,随着Vc用量的增加,MASPCE与CHS-PCE对水泥浆体的初始分散与经时保持性能均呈现先增后减趋势,当Vc用量分别为0.24%时,MAS-PCE初始分散性和分散保持性能达到最优(313mm,310mm),当Vc用量为0.18%时,CHS-PCE初始分散性和分散保持性能达到最优(305mm,279mm);在0.12%<TGA<0.26%范围内,随着TGA用量的增加,掺加MASPCE新拌水泥浆体初始流动度逐渐增大,1h经时流动度表现出先增后减的趋势,掺加CHS-PCE新拌水泥浆体初始、1h经时流动度呈现先增后减的趋势,当TGA用量分别为0.18%,0.24%时,MAS-PCE与CHS-PCE的初始与经时分散性能达到最优;在30℃<聚合温度T<70℃,10min<反应时间t<50min范围内,MAS-PCE对水泥浆体的初始、经时分散性能均优于CHS-PCE,当T=50℃,t=30 min时,MAS-PCE的分散性和分散保持性能达到最优;在200W<微波功率P<1000W范围内,随着微波功率的增大,MAS-PCE对水泥浆体的初始、经时分散性能均呈现逐渐增大的趋势。在各参数条件下,掺加MAS-PCE的水泥浆体的初始、1h经时分散性能均优于掺加CHS-PCE。通过上述单因素法得出微波合成超塑化剂的最佳反应工艺:n(AA):n(TPEG)=3;Vc=0.18%;TGA=0.18%;H2O2=0.20%;P=1000 W;T=50℃;t=30(15,16,14)min。(2)采用人工神经网络反演法求得的反应物等效介电常数,通过介电常数实部虚部以及损耗角正切值,来评价各反应物的介电特性,进而阐述混合体系热效应,研究表明:TPEG/AA/TGA/H2O2/Vc溶液体系在高浓度,相对较低温度下微波的热效应较明显;并且TPEG/AA/TGA/H2O2/Vc的加入均会不同程度地降低混合溶液被微波极化能力;H2O2/Vc的加入会提高混合溶液将微波能转化为热能的效率;TPEG/AA/TGA/H2O2/Vc的加入会提高混合溶液将微波电磁能转化为热能的能力,即提高混合溶液的热效应。(3)通过对比MAS-PCE与CHS-PCE聚合反应活化能Ea、Arrhenius方程指前因子A、电磁作用因子讨论微波非热效应。并尝试运用聚合物的分子量及其分布,模拟孔溶液中PCE分子的流体力学半径Rh分析微波非热效应,研究表明:与CHS相比,对PCE的聚合反应体系施加微波能,可使Ea有所降低(从46.83k J·mol-1降至35.07 k J·mol-1),并且大大提高了A(提高反应体反应粒子有效碰撞概率,增加了反应的活性位点数量)。不同微波聚合反应温度下,If均大于1,说明在电磁波促进了化学反应,并且证明了微波非热效应的存在。与CHS相比,MAS在一定程度上降低了PCE的Mw,Mn,但MAS-PCE对水泥浆体的初始分散与流动性保持能力均优于CHS-PCE,该现象也可能是由微波非热效应导致,并且微波辐射可优化PCE的PDI,也可能是由微波非热效应导致。不同工艺参数(酸醚比,H2O2、Vc、TGA用量,聚合温度、时间)下MAS-Rh,CHS-Rh均呈现先增大后减小的规律,说明加热方式的改变不会影响该变化规律,只会影响相对流体力学半径的大小:MAS-Rh相对较小可以更好地接触吸附活性位点,提高分散性能。通过对PCE分子结构FTIR表征分析得出:MAS提高提高了嵌段聚合的均匀性与大分子量聚合物的生成量,可能属于微波非热效应。(4)采用膨胀计法测得各条件下反应物转化率与时间的关系曲线,通过线性拟合求得各反应的反应方程,得出PCE微观聚合动力学相关结论:PCE的微波聚合动力学方程为:Rp=1.27×1014exp(-33.27/RT)[TPEG]4.1385[AA]2.4898[H2O2]0.8348[Vc]2.3077[TGA]1.5420PCE的热聚合动力学方程为:Rp=7.63×107exp(-45.70/RT)[TPEG]1.1995[AA]1.1186[H2O2]0.7677[Vc]0.8739[TGA]0.6578。在0.1985 mol·L-1<[TPEG]<0.3967 mol·L-1范围内,由于微波辐射使聚合速率提高了8.9~74.06倍;在0.7434 mol·L-1<[AA]<1.4869 mol·L-1范围内,微波聚合速率约为热聚合速率的16倍,在1.4869 mol·L-1<[AA]<1.7842 mol·L-1范围内,微波聚合优势明显增加,微波聚合速率约为热聚合速率的38.34~51.57倍;在0.0283mol·L-1<[H2O2]<0.0660 mol·L-1范围内,微波聚合速率约为热聚合速率的14.42~16.90倍;在0.0027 mol·L-1<[Vc]<0.0135 mol·L-1范围内,微波聚合优势明显增加,微波聚合速率约为热聚合速率的8.93~83.78倍;在0.0103 mol·L-1<[TGA]<0.0310 mol·L-1范围内,微波聚合速率约为热聚合速率的18.74~55.65倍;随着聚合温度的增加微波聚合速率与热聚合速率均逐渐增大;随着聚合温度的升高微波聚合速率的优势下降,微波的热效应减弱。微波聚合速率约为热聚合速率的11.35~18.76倍。(5)通过MAS-PCE对新拌水泥浆体吸附分散/流变性能研究得出:随着W/C的增加,PCE在新拌水泥浆体中的饱和吸附量逐渐减小,并且对应PCE的平衡浓度也在逐渐减小,但初始流动度逐渐增大,说明对于同种PCE而言,其流动度的大小与饱和吸附量成反比例关系。在0.30<W/C<0.40范围内下,PCEm,PCEc在新拌水泥浆体中的等温吸附属于非均匀的多分子层吸附,吸附模型为Tenpkim模型,与其他学者前期得出单分子层的Langmuir吸附的结论不同。在同一水灰比条件下,与PCEm相比PCEc屈服应力对掺量较为敏感;并且PCEm在较小掺量下就具有优异的分散性能。在一定水灰比条件下,随着聚羧酸超塑化剂掺量的增加,新拌浆体的流体模型从H-B模型逐渐转变为R-BH或BH模型,并且新拌浆体的水灰比越大,浆体越接近BH模型。在一定W/C下,随着PCE掺量增加,其对浆体的分散能力逐渐增大,PCEm比PCEc的优势明显。最终揭示微波混凝土超塑化剂的“微波聚合分子热/非热效应-聚合微观动力学-结构-性能”间的普遍规律,确立微波合成超塑化剂理论,提出微波合成PCE分子设计理论,为微波合成功能型PCE提供理论和技术支撑。