本文在材料过程工程学理论框架内,从可再生资源利用、环境保护等角度出发,选择可再生的天然高分子为主要原材料,通过化学合成制备新型混凝土减水剂/高效减水剂,系统的研究基于天然高分子的混凝土减水剂的合成条件与应用性能。根据分子设计理论,首先采用棉纤维素为原材料,制备水溶性丁基磺酸纤维素醚(SBC),探讨了反应物配比、反应温度、反应时间等因素对产物分子结构的影响。作为对比,探讨了硫酸酯化羟乙基纤维素(SHEC)、微波辐射方法制备淀粉顺丁烯二酸半酯(SMHE)的合成条件及作为减水剂应用的性能。采用傅立叶变换红外光谱、核磁共振光谱、扫描电镜、电感耦合等离子体发射光谱、凝胶渗透色谱等现代分析手段表征了分子结构。为研究减水剂性能,测定了水泥颗粒吸附减水剂后ζ—电位,水泥颗粒对减水剂的吸附特性,减水剂在水泥颗粒表面的吸附层厚度,减水剂对水泥水化的影响以及产物对水泥水化物形貌的影响。减水剂合成的研究结果表明:氢氧化钠与脱水葡萄糖单元及醚化试剂(1,4—丁基磺酸内酯)摩尔比为NaOH:AGU:BS=2.5:1:1.7,最佳反应温度为75℃,醚化反应时间为4.5h。得到的SBC特性粘度为35.3ml/g(粘均分子量约29,000g/mol),丁基磺酸基团取代度达到0.38,1%掺量下水泥净浆流动度可达182mm。分次加碱的方法可将产物的取代度从0.38提高到0.67,数均分子量为6177g/mol,1%掺量净浆流动度270mm以上。在试验范围内,SBC的取代度越高、分子量越低,越有利于减水分散作用的发挥;取代度越小缓凝现象越严重,取代度适中的减水剂不会影响水泥/混凝土水化后期强度的发展,而且表现出良好的流动度保持性,水泥颗粒表面ζ—电位(绝对值)随SBC掺量的提高而明显提高,且在120min内变化较小。因此,不同取代度的SBC可以用作缓凝减水剂、减水剂和高效减水剂。合成的SMHE取代度达0.49,数均分子量为7286g/mol;SHEC取代度达0.49,数均分子量为1978g/mol;二者均可提高水泥净浆流动度,但掺量过高缓凝现象严重,均可用作缓凝减水剂。水泥对SBC的吸附符合Langmuir型等温吸附,其极限吸附量在4.66mg/g～5.49mg/g范围;对SNF(商品萘系高效减水剂)和SMHE的吸附同样符合Langmuir型等温吸附,前者极限吸附量为11.23mg/g,后者的极限吸附量是9.73mg/g。SNF、SBC和SMHE的吸附层厚度分别是0.82nm、3.72nm和6.82nm,SBC约是SNF的4倍,SMHE约是SNF的8.3倍。吸附减水剂后,Ca2p结合能发生不同程度位移,表明SNF、SBC、SMHE等三种减水剂在水泥颗粒上均发生化学吸附。为解释SBC减水作用机理,采用经验公式计算水泥悬浮体系中水泥颗粒受力情况。计算结果表明,水泥颗粒表面吸附SBC形成3.72nm的吸附层后,消弱了水泥颗粒间的范德华引力,在水泥颗粒靠近到吸附层可以相互压缩时,产生的空间位阻作用力远大于静电斥力和范德华引力,对水泥颗粒的分散起主导作用;而吸附层未相互压缩时,水泥颗粒的分散主要依赖于静电斥力作用。因此,SBC减水分散作用是空间位阻作用和静电斥力协同作用的结果。水泥浆中高效减水剂掺量与水泥絮凝颗粒分形维数间有关,当高效减水剂掺加到一定量时,水泥絮凝颗粒分形维数D_f突变,该突变对应的减水剂掺量与净浆流动度法测定的高效减水剂饱和掺量吻合良好,因此将D_f突变对应的减水剂掺量视为饱和掺量,从而建立了以分形维数确定高效减水剂饱和掺量的新方法,该方法与Marsh筒及净浆流动度法相比具有方便、快捷、节约试验材料等优点。在水泥絮凝理论的基础上,研究了掺加减水剂前后水泥净浆絮凝体积的变化规律,提出减水因子概念,它涵盖了减水剂、水泥和混凝土的特性。不同减水剂的减水因子在0～1范围内,且趋于某定值。研究结果表明,不论哪种减水剂,减水因子越大则减水剂的减水分散效果越明显,减水因子与水泥水化以及减水剂与水泥的相容性有一定关系。在相同工作性条件下,混凝土用水量随而减水因子的增大而减小,并且基于减水因子计算的用水量与实际试配用水量非常接近。可见,减水因子对混凝土配合比设计有指导作用,完善了混凝土配合比相关理论。SBC减水率与其分子结构有关,1%掺量下砂浆减水率为11.2%～16.5%,混凝土减水率为9%～19%;掺加SBC8的水泥砂浆抗折强度与抗压强度提高明显。掺加SBC8的混凝土和易性良好,泌水率比小,保水性能优于SNF。为测试SBC8实际应用性能,配制了C40混凝土,其各龄期强度提高明显,干缩率在混凝土性能范围内。说明SBC具有实际应用价值。