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【摘要】以丙烯酰胺与丙烯酸为原料，制备出尺寸不一的树脂颗粒。通过调节原料间的摩尔比，以及添加不同的基团，制备出存水能力优异、耐盐性良好的树脂球，以期其日后在与混凝土混合后得到性能优异的防开裂复合混凝土。
【关键词】丙烯酰胺；丙烯酸；树脂；防开裂；复合混凝土
【中图分类号】TU528.041
【文献标识码】A
1、引言
在土木工程中，混凝土是经常被用到的必备材料。传统的混凝土是将水泥作为胶凝材料，砂、石作为骨料，将三者混合搅拌均匀，就成为我们常说的传统复合型混凝土。传统的混凝土在干燥后收缩率较大，内部存在的毛细孔的相对湿度就会降低，这是因为传统的混凝土在前期会发生快速的水化过程，造成大量的水分丢失，所以收缩明显，开裂几率较大、耐用性较差。为了解决这一问题，专家们都在致力于如何控制混凝土前期的水分丢失，从而增加混凝土的内部湿润率。从混凝土内部着手，提高其含水量，抑制它的收缩率、减小它的变形程度，从而达到防止混凝土开裂的目的，使其使用寿命延长。利用树脂材料的强吸水性，使其均匀分布在混凝土中，就可以在混凝土水化失水过程中，源源不断的给混凝土补充水分，保持混凝土内部的湿润性，起到从内保护混凝土开裂的目的。
目前，市面上销售的强吸水性树脂在控制混凝土开裂方面取得巨大进展，但在售的树脂颗粒的尺寸大小不一，从毫米级、微米级甚至纳米级的都存在，他们的补水效果差异很大。此外，由于树脂颗粒属于阴离子聚合物，它对于去离子水的吸水倍率值与对于水溶性离子的吸水倍率值相差很大，这就说明它的耐盐性能不佳，在实际应用中存在较大缺陷。本文以高纯度的丙烯酰胺以及丙烯酸为原料，通过调节两者的摩尔比，制备出不同尺寸的树脂球，研究了不同尺寸树脂球的存水能力，而后在反应体系中引入不同的基团（N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、丙烯酸酯共聚乳液），来改善树脂的耐盐功能（树脂对去离子水的吸液倍率与树脂对水泥溶液的吸液倍率差值越小，说明耐盐性越强。本实验为了模仿水泥析出离子溶液，用氢氧化钙饱和溶液充当水泥析出离子溶液）。
2、实验过程
2.1实验原料及所用仪器
丙烯酰胺（Acrylamide，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；丙烯酸（Acrylic acid，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；N，N’-亚甲基双丙烯酰胺（N，N’-Methylenebisacrylamide，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；过硫酸铵（AR级，上海国药集团试剂有限公司）；丙烯酸酯共聚乳液（Acrylicester acrylate，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；氢氧化钙（AR级，上海国药集团试剂有限公司）；去离子水（标准实验室用水，纯度达到纯水级别）。
千分位电子天平（RS232C，南京肯凡电子科技有限公司）；恒温水浴锅（HH-S2A，金坛市成辉仪器厂）；真空干燥箱（DZF-6020，北京市永光明医疗仪器有限公司）：数显测速电动搅拌器（JJ-1A，湘潭湘仪仪器有限公司）；扫描电镜（DF-5708，丹东东方测控技术股份有限公司）。
2.2树脂合成方法
将丙烯酰胺与丙烯酸按不同摩尔比（1-1、1：1.5、1：2、1：2.5）放入烧杯中，然后在烧杯中加入去离子水，将烧杯置于恒温水浴锅中，700C快速搅拌，直至上述混合物出现湿凝胶状态（可用普通激光笔，看溶液是否出现丁达尔效应，出现丁达尔效应，说明反应完全，已形成凝胶），此状态下停止搅拌，保温1.5h，之后将烧杯取出室温下陈化24h，将得到的凝胶放入真空干燥箱中干燥，通过造粒机将成品进行粉碎，并进行过筛处理。
2.3树脂存水能力测试方法
M存=M湿-M干 （1）
式中，M存为树脂的存水质量，M湿为树脂充分吸水后的质量，M干为树脂干燥后的质量。在测量不同尺寸树脂存水能力时，所有选取的树脂质量相同，吸水时间相同，干燥时间相同。
2.4耐盐性能测试
采用滤袋法对树脂进行吸水率和吸饱和氢氧化钙溶液吸液倍率的测试。首先对所用滤袋进行称重，然后将树脂颗粒填装与滤袋内，分别浸泡在去离子水以及饱和氢氧化钠溶液中，浸泡时间为30min。
式中，Kw表示吸去离子水的倍率；Kc代表吸饱和氢氧化钙溶液的倍率；树月目的质量我们用m1表示；滤袋的质量我们用m2表示；m3代表充分吸去离子水后树脂与滤袋的总质量；m4表示充分吸收饱和氢氧化钙溶液的树脂与滤袋的总质量。
3、结果与分析
表1为丙烯酰胺与丙烯酸在不同摩尔比条件下制备出树脂颗粒的尺寸（在扫描电镜下观察样品形貌，再通过截线法测量颗粒的尺寸大小）。从结果可以看出，随着丙烯酸含量的增加，样品颗粒呈现出减小趋势，当丙烯酸含量进一步增加，样品的颗粒尺寸又再一次增大，當两者摩尔比达到1：2.5时，样品颗粒已经增大到5.3μm。说明两者的摩尔比影响着物质的形核速率，形核速率越大，样品的尺寸越大，反之越小。因本文篇幅有限，只对微米级尺寸样品的存水能力进行研究。
样品的颗粒尺寸越小，其存水能力越强，说明了尺寸越小，样品所拥有的比表面积越大，表面能越高，吸水能力越强，所以在实际的应用中，应选取质量优异、颗粒尺寸小的树脂来防止混凝土开裂，但尺寸越小的树脂，价格越昂贵，所以应该根据需求选取性价比最高的树脂。
从表2结果可以看出，不同的集团引入之后，树脂的耐盐性相差很大，当反应体系中引入N。N’-亚甲基双丙烯酰胺时，树脂对去离子水吸液倍率和氢氧化钙饱和溶液吸液倍率的差值最小，降低到了0.323，说明此时树脂的耐盐性最佳。
结论：
本文以丙烯酰胺和丙烯酸为原料制备出了存水能力优异，耐盐性良好的树脂颗粒。当丙烯酰胺与丙烯酸摩尔比为1：1.5时，样品的颗粒尺寸最小，存水能力最强，当添加基团为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺时，样品的耐盐性最好。在日后的建筑工程中，将其与混凝土均匀混合可有效解决传统混凝土开裂的难题，是一种性能优异的新型复合混凝土材料。
【关键词】丙烯酰胺；丙烯酸；树脂；防开裂；复合混凝土
【中图分类号】TU528.041
【文献标识码】A
1、引言
在土木工程中，混凝土是经常被用到的必备材料。传统的混凝土是将水泥作为胶凝材料，砂、石作为骨料，将三者混合搅拌均匀，就成为我们常说的传统复合型混凝土。传统的混凝土在干燥后收缩率较大，内部存在的毛细孔的相对湿度就会降低，这是因为传统的混凝土在前期会发生快速的水化过程，造成大量的水分丢失，所以收缩明显，开裂几率较大、耐用性较差。为了解决这一问题，专家们都在致力于如何控制混凝土前期的水分丢失，从而增加混凝土的内部湿润率。从混凝土内部着手，提高其含水量，抑制它的收缩率、减小它的变形程度，从而达到防止混凝土开裂的目的，使其使用寿命延长。利用树脂材料的强吸水性，使其均匀分布在混凝土中，就可以在混凝土水化失水过程中，源源不断的给混凝土补充水分，保持混凝土内部的湿润性，起到从内保护混凝土开裂的目的。
目前，市面上销售的强吸水性树脂在控制混凝土开裂方面取得巨大进展，但在售的树脂颗粒的尺寸大小不一，从毫米级、微米级甚至纳米级的都存在，他们的补水效果差异很大。此外，由于树脂颗粒属于阴离子聚合物，它对于去离子水的吸水倍率值与对于水溶性离子的吸水倍率值相差很大，这就说明它的耐盐性能不佳，在实际应用中存在较大缺陷。本文以高纯度的丙烯酰胺以及丙烯酸为原料，通过调节两者的摩尔比，制备出不同尺寸的树脂球，研究了不同尺寸树脂球的存水能力，而后在反应体系中引入不同的基团（N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、丙烯酸酯共聚乳液），来改善树脂的耐盐功能（树脂对去离子水的吸液倍率与树脂对水泥溶液的吸液倍率差值越小，说明耐盐性越强。本实验为了模仿水泥析出离子溶液，用氢氧化钙饱和溶液充当水泥析出离子溶液）。
2、实验过程
2.1实验原料及所用仪器
丙烯酰胺（Acrylamide，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；丙烯酸（Acrylic acid，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；N，N’-亚甲基双丙烯酰胺（N，N’-Methylenebisacrylamide，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；过硫酸铵（AR级，上海国药集团试剂有限公司）；丙烯酸酯共聚乳液（Acrylicester acrylate，AR级，上海国药集团试剂有限公司）；氢氧化钙（AR级，上海国药集团试剂有限公司）；去离子水（标准实验室用水，纯度达到纯水级别）。
千分位电子天平（RS232C，南京肯凡电子科技有限公司）；恒温水浴锅（HH-S2A，金坛市成辉仪器厂）；真空干燥箱（DZF-6020，北京市永光明医疗仪器有限公司）：数显测速电动搅拌器（JJ-1A，湘潭湘仪仪器有限公司）；扫描电镜（DF-5708，丹东东方测控技术股份有限公司）。
2.2树脂合成方法
将丙烯酰胺与丙烯酸按不同摩尔比（1-1、1：1.5、1：2、1：2.5）放入烧杯中，然后在烧杯中加入去离子水，将烧杯置于恒温水浴锅中，700C快速搅拌，直至上述混合物出现湿凝胶状态（可用普通激光笔，看溶液是否出现丁达尔效应，出现丁达尔效应，说明反应完全，已形成凝胶），此状态下停止搅拌，保温1.5h，之后将烧杯取出室温下陈化24h，将得到的凝胶放入真空干燥箱中干燥，通过造粒机将成品进行粉碎，并进行过筛处理。
2.3树脂存水能力测试方法
M存=M湿-M干 （1）
式中，M存为树脂的存水质量，M湿为树脂充分吸水后的质量，M干为树脂干燥后的质量。在测量不同尺寸树脂存水能力时，所有选取的树脂质量相同，吸水时间相同，干燥时间相同。
2.4耐盐性能测试
采用滤袋法对树脂进行吸水率和吸饱和氢氧化钙溶液吸液倍率的测试。首先对所用滤袋进行称重，然后将树脂颗粒填装与滤袋内，分别浸泡在去离子水以及饱和氢氧化钠溶液中，浸泡时间为30min。
式中，Kw表示吸去离子水的倍率；Kc代表吸饱和氢氧化钙溶液的倍率；树月目的质量我们用m1表示；滤袋的质量我们用m2表示；m3代表充分吸去离子水后树脂与滤袋的总质量；m4表示充分吸收饱和氢氧化钙溶液的树脂与滤袋的总质量。
3、结果与分析
表1为丙烯酰胺与丙烯酸在不同摩尔比条件下制备出树脂颗粒的尺寸（在扫描电镜下观察样品形貌，再通过截线法测量颗粒的尺寸大小）。从结果可以看出，随着丙烯酸含量的增加，样品颗粒呈现出减小趋势，当丙烯酸含量进一步增加，样品的颗粒尺寸又再一次增大，當两者摩尔比达到1：2.5时，样品颗粒已经增大到5.3μm。说明两者的摩尔比影响着物质的形核速率，形核速率越大，样品的尺寸越大，反之越小。因本文篇幅有限，只对微米级尺寸样品的存水能力进行研究。
样品的颗粒尺寸越小，其存水能力越强，说明了尺寸越小，样品所拥有的比表面积越大，表面能越高，吸水能力越强，所以在实际的应用中，应选取质量优异、颗粒尺寸小的树脂来防止混凝土开裂，但尺寸越小的树脂，价格越昂贵，所以应该根据需求选取性价比最高的树脂。
从表2结果可以看出，不同的集团引入之后，树脂的耐盐性相差很大，当反应体系中引入N。N’-亚甲基双丙烯酰胺时，树脂对去离子水吸液倍率和氢氧化钙饱和溶液吸液倍率的差值最小，降低到了0.323，说明此时树脂的耐盐性最佳。
结论：
本文以丙烯酰胺和丙烯酸为原料制备出了存水能力优异，耐盐性良好的树脂颗粒。当丙烯酰胺与丙烯酸摩尔比为1：1.5时，样品的颗粒尺寸最小，存水能力最强，当添加基团为N，N’-亚甲基双丙烯酰胺时，样品的耐盐性最好。在日后的建筑工程中，将其与混凝土均匀混合可有效解决传统混凝土开裂的难题，是一种性能优异的新型复合混凝土材料。