[发明专利]一种碱矿渣水泥混凝土减水剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及混凝土外加剂技术领域，属于节能环保新材料。具体涉及一种混凝土减水剂及其化学制备方法，该减水剂适用于碱矿渣水泥混凝土，能有效提高其综合性能。

背景技术

面对日益严峻的全球温室气体危害，减少二氧化碳的排放已经成为全人类共同努力的目标。然而，目前仅水泥工业排放的二氧化碳就占全球人类活动二氧化碳总排放量的5％，每吨普通硅酸盐水泥的生产将会排放0.9吨的二氧化碳，而未来四十年人类对水泥的需求只增不减，若要实现国际能源署设定的到2050年全球二氧化碳总排放量减半的目标，水泥工业承受巨大压力。尤其是我们中国，因为中国市场的水泥产量占全球的一半，而且会继续保持这一水平直到2030年。但值得庆幸的是，人们已经发现一种新型水泥—碱矿渣水泥，在不久的将来有望取代普通硅酸盐水泥。碱矿渣水泥是利用工业副产品和废渣为原材料制备的胶凝水泥才料，它不仅生成过程中排放的二氧化碳只有普通水泥的10％，而且相比而言其综合性能比普通水泥更优越。美国在70年代末研制出的派拉蒙特水泥(Pyrament Cement)，波兰研制的“F-水泥”，和澳大利亚于2006年推出的“E-Crete^TM”产品就是这类碱矿渣水泥典型的代表。

减水剂(又叫塑化剂)，它不仅能够影响混凝土在新拌阶段的工作性，而且能与水泥水化产物作用，从微观、亚微观层次上对混凝土体结构进行改善，从而满足混凝土在施工性能、物理力学性能等方面的要求，因此减水剂的使用是提高混凝土强度、改善性能、减少水泥用量及节省能耗等方面的有效措施。有人将减水剂对混凝土的改性及改进工艺等方面的成果归纳为水泥应用科学技术发展史上的第三次重大突破，由此可见减水剂在混凝土工业中的重要地位。根据减水剂的发展阶段，有木质素磺酸钠减水剂、萘系减水剂和目前广泛使用的聚羧酸系减水剂。

聚羧酸系减水剂作为新一代减水剂，能有效降低普通硅酸盐水泥混凝土的需水量，然而在碱矿渣水泥混凝土中效果甚微，甚至起到反作用，根据其作用机理和碱矿渣水泥的结构特性，可以对其化学结构进行修饰和改进，能在碱矿渣水泥混凝土中起到很好的效果。国内外很多研究单位都在从事碱矿渣水泥减水剂的研究，并取得了一定的进展，但是仍然没有成型的商业化产品。在中国，该领域的研究起步较晚，目前尚无此类专利，中国市场也无此类产品。

发明内容

本发明的目的就是提出一种工艺合理、操作简单的合成方法制备能适用于碱矿渣水泥混凝土的减水剂，以填补目前中国市场的空白。该减水剂能有效降低新拌碱矿渣混凝土的初始粘度，提高混凝土的流动性和工作性，并减少水泥的用量，提高混凝土强度。

本发明中减水剂的化学分子结构式如下：

其中，R为氢原子或者甲基，m为聚乙二醇的聚合度，a和b分别为单体N，N-二甲基胺乙基(甲基)丙烯酸酯和聚乙二醇单甲醚(甲基)丙烯酸酯的摩尔百分比，n为两种单体的共聚聚合度，决定了最终聚合物分子量的大小。

本发明中聚乙二醇聚合度m为22或者43；单体N，N-二甲基胺乙基(甲基)丙烯酸酯和聚乙二醇单甲醚(甲基)丙烯酸酯的摩尔百分比a和b分别为20％和80％；最终聚合物的分子量范围为10000～20000。

该减水剂合成的技术方案包括以下步骤：

(1)大分子单体制备。将聚乙二醇单甲醚和丙烯酸(或甲基丙烯酸)加入到反应容器中，再分别加入阻聚剂对苯二酚、催化剂浓硫酸和溶剂四氢呋喃搅拌均匀，待所有组分溶解后，澄清的透明溶液加热至60℃进行酯化反应，保持反应12～18小时。结束后，真空旋转蒸发抽去溶剂四氢呋喃，得到白色固体用正己烷洗涤之后真空低温干燥备用；

(2)聚合反应。配制聚乙二醇单甲醚(甲基)丙烯酸酯、N，N-二甲基胺乙基(甲基)丙烯酸酯、偶氮二异丁腈和巯基乙醇的混合四氢呋喃溶液，密闭反应釜，加热至60℃，搅拌，聚合反应10～12小时，结束后降低反应温度至室温；

(3)季胺盐化反应。向聚合结束后的反应釜中加入定量的甲基碘，室温搅拌反应4小时。反应结束后，真空旋转蒸发除去溶剂四氢呋喃，得到固体粉末，加入水配制所需浓度的溶液，即得减水剂产品。

在本发明中，所述聚乙二醇单甲醚的聚合度为22或者43；大分子单体可以是聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯，也可以是聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯；另外一种单体可以是N，N-二甲基胺乙基丙烯酸酯，也可以是N，N-二甲基胺乙基甲基丙烯酸酯。