一种新型淀粉改性的MPEG PCE的设计，用于提高碱活化矿渣粘合剂的抗坍落性能

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Design of a Novel Starch-Modified MPEG PCE for Enhanced Slump Retention in Alkali-Activated Slag Binder

碱激发矿渣（AAS）作为低碳胶凝材料，其工作性和凝结时间受限于高碱性和离子强度。本研究提出将淀粉引入MPEG-PCE聚羧酸减水剂，通过分子量增大、溶解性优化及空间位阻效应，有效提升AAS分散度并延长凝结时间，同时保持早期强度发展。实验表明，0.12%淀粉-PCE可使AAS浆体坍落度保持120分钟，凝结时间延长2倍，且28天抗压强度提高18%。该技术实现低碳胶凝材料与生物基减水剂的协同创新，为建筑行业碳减排提供新路径。

　　在当前全球气候变化的背景下，建筑行业的碳排放问题日益受到关注。水泥生产作为建筑行业的重要组成部分，其制造过程涉及大量的二氧化碳排放，因此，寻找低碳替代材料已成为实现可持续发展的关键。碱激发矿渣（Alkali-activated slag, AAS）作为一种具有潜力的低碳结合剂，能够部分或完全取代水泥熟料，从而有效降低建筑行业的碳足迹。然而，传统基于甲基丙烯酸酯的聚羧酸酯类减水剂（MPEG PCEs）在AAS体系中表现出较差的分散性和工作性保持能力，这限制了其在实际工程中的应用。为了解决这些问题，本研究提出了一种仿生理念，即将淀粉引入到MPEG基减水剂中，以改善其性能。

淀粉作为一种天然的糖类物质，具有独特的多糖结构，能够提供一种缓释机制。在高碱性环境中，淀粉可以缓慢水解，逐步释放出葡萄糖单体。这种特性避免了小分子糖类（如葡萄糖、蔗糖）在高碱性条件下可能引起的过度延缓作用。通过将淀粉与MPEG基减水剂结合，不仅能够提高其在AAS体系中的初始流动性，还能延长其工作性保持时间。此外，淀粉的丰富羟基功能团有助于延缓AAS结合剂的快速凝结，从而改善其工作性能。

本研究通过系统分析AAS体系的物理化学性质、吸附等温线以及水化过程，揭示了淀粉引入MPEG基减水剂的潜在机制。淀粉的加入显著提高了MPEG基减水剂在NaOH激发体系中的溶解性，这一特性对于提升其在高碱性环境下的适用性至关重要。同时，淀粉的加入还有效降低了AAS体系的水化速率，从而延缓了其凝结时间。通过对比实验，研究人员发现，传统的MPEG基减水剂在高碱性环境下表现出较差的稳定性，而淀粉基MPEG减水剂则能够有效克服这一缺陷。

淀粉的引入不仅提升了AAS体系的性能，还带来了显著的环境优势。与传统的石油基减水剂相比，淀粉基减水剂在生产过程中减少了碳排放，同时具备良好的生物降解性。这一特性使得其在使用后更容易被处理，减少了对环境的长期影响。此外，淀粉在厌氧消化过程中能够实现碳封存，从而进一步降低整体的碳足迹。这些环境效益为淀粉基减水剂在建筑行业的应用提供了强有力的支持。

通过实验分析，研究人员发现淀粉基MPEG减水剂在AAS体系中的表现优于传统产品。在初始分散性能方面，淀粉基减水剂能够在较低的添加量下（0.12% bwos）实现良好的流动性，而传统产品即使在较高的添加量下（0.45% bwos）也难以达到类似效果。在工作性保持方面，淀粉基减水剂在120分钟内仍能保持较高的流动性，而传统产品则在40分钟内就失去了大部分流动性。这些结果表明，淀粉基MPEG减水剂能够有效解决AAS体系中的流动性不足和快速凝结问题。

进一步的物理化学性质分析显示，淀粉基MPEG减水剂的阴离子电荷密度显著低于传统产品，这表明其作用机制主要依赖于空间位阻效应而非静电排斥。这种作用机制使得淀粉基减水剂在高碱性环境中表现出更强的稳定性，从而避免了传统产品因低碱容忍度而导致的沉淀问题。此外，通过吸附等温线分析，研究人员发现淀粉基减水剂在AAS体系中的吸附行为呈现出非线性特征，表明其能够形成更优的表面构型，从而提升分散效果。

水化动力学研究进一步证实了淀粉基MPEG减水剂的缓凝作用。通过等温热量计分析，研究人员发现，随着淀粉基减水剂添加量的增加，AAS体系的诱导期显著延长，同时保持了较高的水化热流。这一结果表明，淀粉基减水剂能够在不显著影响强度发展的前提下，有效延缓AAS的水化过程。在凝结时间测试中，淀粉基减水剂在0.12%添加量下将初始和最终凝结时间延长了一倍，而在0.24%添加量下，凝结时间进一步延长至接近三倍。

在力学性能方面，淀粉基MPEG减水剂的加入显著提升了AAS砂浆的抗压强度。在1天的养护龄期，淀粉基减水剂的加入使得砂浆的抗压强度提高了14.9%。这种强度提升效应在后续的养护过程中持续存在，最终在28天时，淀粉基减水剂处理的砂浆抗压强度达到了28.1 N/mm2，而传统产品处理的砂浆则仅为24.5 N/mm2。这些结果表明，淀粉基MPEG减水剂不仅能够延缓水化过程，还能有效提升AAS的力学性能，从而为低碳混凝土的开发提供了新的思路。

本研究的成果为建筑行业提供了一种可行的低碳解决方案，即通过将淀粉基减水剂与AAS结合，实现建筑材料的环境友好型改进。这种结合不仅解决了传统减水剂在AAS体系中的不足，还带来了显著的环境效益。淀粉基减水剂的引入使得AAS体系在保持良好工作性的同时，实现了更高的强度发展，为未来混凝土材料的绿色转型提供了重要支持。此外，这种仿生设计理念为其他生物基材料在建筑材料中的应用提供了参考，有助于推动建筑行业向更加可持续的方向发展。