聚羧酸高分子减水剂的分子结构、水泥浆体微结构发展及其宏观性能

近年来，聚羧酸高分子减水剂(简称PCE)作为混凝土添加剂在我国大兴土木的背景下大规模生产应用。因水泥科学的复杂性和相关研究的跨学科性， PCE在水泥中的作用机理、结构与性能关系未完全揭示，针对PCE的科学研究严重滞后于产业发展。本课题拟全面阐明PCE分子结构与其在水泥材料中作用性能间的关系。课题拟从研究PCE分子与水泥的物理化学相互作用及其对水泥浆初期微观缔合结构的解絮凝作用出发，描述PCE分子结构对浆体早期微结构发展、水泥水化的影响机制，揭示PCE调控浆体流变性的深层微观机理；进而将其对浆体初期微结构的影响推演到对水泥硬化后孔结构的调控机制上，将浆体早期行为与后期强度发展、收缩开裂建立关联；突破了减水剂仅仅是对混凝土初期流变性调控的化学添加剂的概念，提出PCE分子结构对硬化体后期性能有重要影响这一新观点。为新型复合减水剂如早强型、增强增韧型、减缩抗裂型PCE减水剂的设计及应用奠定理论基础

以聚羧酸减水剂（PCE）为代表的混凝土化学外加剂已成为现代水泥混凝土的必需组份。本课题围绕PCE减水剂结构与性能的关系，全面研究减水剂对水泥浆早期微结构、水泥水化的作用机理，以揭示其调控浆体流变性的深层微观本质，为新型高效外加剂研制及混凝土性能的提升提供理论依据。.课题首先从吸附-分散-水化的角度，系统揭示了聚羧酸减水剂与萘系减水剂的作用本质异同，完善了减水剂的吸附-流变-水化作用机理理论；进而针对PCE梳状聚合物分子结构，明确了不同主链官能团对聚合物的吸附与水泥水化的影响规律和机理。在此基础上，在PCE梳状聚合物分子结构中引入特殊官能团（硅烷官能团，疏水官能团），揭示增强增韧型减水剂在水泥体系的作用机制；突破传统梳状聚合物分子结构特征，合成并研究了树枝状分子以及聚合物纳米粒子作为分散剂的作用规律与机制。将PCE与水泥颗粒初期相互作用及其对水泥浆初期微结构的改性作用推演到中后期，探究对硬化水泥孔隙结构、水化产物组成及形态的作用规律，进而揭示对水泥硬化过程中强度发展、收缩开裂以及抗渗等性能的影响机制。最后，利用散体微结构理论对新拌浆微结构进行定量表征，建立浆体微结构与宏观流变性的关联并加以量化与模型化；开创性地将基于激光散射的微流变仪引入到水泥基材料领域，利用这一无扰方法来研究新拌水泥浆的流变性质；基于上述减水剂的作用机理与微结构模型建立面向工程应用的“减水剂-微结构-流变性”的归一化流变模型，该模型清晰地模拟水泥-减水剂-水体系微结构与流变性的内在关联，为高性能混凝土性能优化与工程施工控制提供理论指导。 .课题获得的主要创新性成果如下：.1..阐明了水泥浆体微结构和流变性质的关系，建立了定量方程；.2..从吸附-流变-水化的逻辑关系角度，揭示了PCE减水剂分子中荷电官能在水泥浆体中的作用规律，揭示了聚羧酸和萘系减水剂的分散性能及对水泥水化影响的差异，及其本质； .3..创造性地探索了采用微流变这一无扰方法来研究新拌水泥浆的流变性质； .4..提出了多种新型减水剂结构，包括含硅烷官能团的PCE、超支化分子结构的减水剂及纳米粒子型减水剂等； .5..将新拌水泥浆微结构特征延伸至硬化水泥石，揭示了PCE减水剂对硬化水泥石孔结构、渗透性等的作用规律。.课题已发表SCI文章12篇，EI文章6篇。其中包括在本学科顶级期刊Cement and Concrete Research