近日，海南大学化学化工学院潘莉莎教授团队在建材领域国际知名期刊《Construction and Building Materials》（IF=7.4，中科院1区TOP）上公开发表题为“What are the mechanisms of functional monomers’ effect on air entrainment of polycarboxylate superplasticizers in cement paste and mortar?”的研究论文。

清水混凝土是指直接利用混凝土成型后的自然质感作为饰面效果的混凝土，可应用于现浇建筑和预制装配式等结构中。清水混凝土集结构和修饰为一体，浇筑成型后无需打磨和抹灰打漆，大大减少了灰粉的产生和甲醛等有害有机物的释放，并极大简化施工工序，具有绿色、环保和低碳的优点，又称绿色混凝土。此外，清水混凝土的肌理质感与明缝、禅缝及对拉螺栓孔等形成的一种自然状态装饰面，深受世界各国建筑大师的青睐；其带工业风格、极简风格的高级感，也越来越受大众关注和喜爱。

海口云洞图书馆（图1a）、上海保利大剧院（图1b）等国内外知名建筑均采用了清水混凝土，清水混凝土已成为当今绿色建筑的潮流和趋势。

                          海口云洞图书馆              上海保利大剧院                          

图1 清水混凝土建筑

聚羧酸系减水剂（Polycarboxylate superplasticizer, PCE）是目前研究和应用最广泛的清水混凝土外加剂。然而，由于PCE分子结构中的聚醚侧链，容易引入大量气泡造成混凝土含气量过高，导致清水混凝土表观气泡多，难以达到清水混凝土外观色泽均匀、平整美观、无蜂窝麻面的要求，如图2所示。

图2 清水混凝土由于气泡过多产生的外观问题

鉴于此，海南大学化学化工学院潘莉莎教授团队将功能单体异戊烯醇聚氧乙烯醚TPEG3000（M_w=3000）、甲基丙烯酸六氟丁酯（HFBMA）和2-羟乙基甲基丙烯酸酯磷酸酯（HEMAP）引入PCE的梳型结构中，成功开发了醚型聚羧酸减水剂（T-PCE）、氟型聚羧酸减水剂（F-PCE）和磷酸酯型聚羧酸减水剂（P-PCE）。

图3 作用机理示意图

引入HFBMA和HEMAP等功能单体后，PCE的分散性能得到明显提升，引气性能得到抑制，尤其是P-PCE表现良好分散性能、吸附能力以及较低的引气性能。并阐明了作用机制，如图3所示：T-PCE的表面活性较强，具有较强的发泡能力和气泡稳定性，T-PCE以4个-COOH和1个钙离子（Ca²⁺）的形式发生络合，游离Ca²⁺浓度较高，所以T-PCE的引气性较强；F-PCE上的C-F键具有疏水性，通过马兰戈尼效应急剧降低了表面张力，有利于消泡，所以F-PCE的引气性较T-PCE低；P-PCE上的磷酸根（-OPO₃^2-）带有2个负电荷，更容易吸附在水泥颗粒上和Ca²⁺络合，降低游离Ca²⁺浓度，削弱了气泡稳定性。

本研究成功开发了具有良好分散性能、吸附能力以及低引气性能的清水混凝土外加剂，有望在清水混凝土中应用和推广，有利于推动混凝土行业的可持续发展。

海南大学化学化工学院硕士王育明为论文第一作者，海南大学化学化工学院潘莉莎教授为论文通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金（222668017）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137038

撰稿人：潘莉莎

审核人：潘福生