聚羧酸系减水剂分子在水溶液和水泥孔溶液环境下的构象形态的全原子动力学模拟研究
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本文由江苏苏博特新材料股份有限公司技术开发部徐舒迟和王衍伟博士翻译整理，转载或修编时请务必注明出处。
摘要：
本研究采用大规模全原子分子动力学模拟方法，主要考察了三类典型的聚羧酸减水剂（PCE）分子在水溶液和水泥孔隙溶液中的构象变化，旨在研究PCE分子在混凝土中的工作机理。所考察的三类PCE分子包括MPEG- PCE, APEG-PCE和IPEG-PCE（也称为TPEG-PCE），在原文中被依次记为PCEM, PCEA和PCEI。研究发现：在水溶液中，PCE分子呈现伸展的构象，这被归因于主链上负电荷之间的静电排斥相互作用；在模拟水泥孔溶液环境下，聚羧酸系减水剂分子的构象呈现明显的卷缩和扭曲特征，并产生由于盐析效应而导致的侧链聚乙二醇（PEG）的聚集现象，这一现象与侧链PEG的接枝密度有关。
代号说明：
Dend-end：根均方末端距
dn/dc：折光指数增量
Mn：数均分子量
Mw：重均分子量
Rg：回转半径
Rh：流体力学半径
（译者按：以下中文注释为译者添加，以方便读者阅读）
PCE: 聚羧酸系高性能减水剂
PCEM: 甲基丙烯酸-甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯类大单体共聚物
PCEA: 马来酸酐-烯丙基聚乙二醇醚类大单体共聚物
PCEI: 丙烯酸/异戊烯醇聚乙二醇醚类大单体共聚物
C-S-H: 水化硅酸钙
blob model: 链滴模型
SEC: 体积排除色谱
PDI: 多分散性指数
mini slump test: 微型坍落度试验
MD： 分子动力学模拟
NVT: 正则系综
NPT: 等温等压系综
1 概述
具有聚乙二醇（PEG）侧链的聚羧酸系减水剂（PCE）分子能够让混凝土在只需加入极少量的水的情况下就可以呈现良好的流动状态，并且与传统的萘系磺酸盐减水剂相比，PCE能够使混凝土的流动性保持更久的时间[1-3]。因此，现如今PCE在发展高耐久性混凝土——比如具有超高强度[4]和自密实型[5]混凝土——方面扮演着重要角色。
聚羧酸系减水剂主要通过主链上带负电的羧基吸附在水泥表面上，而PEG侧链伸展于水溶液中。通常将PCE优异的分散性能归因于PEG侧链提供的空间位阻斥力效应，但有关主链结构与分散性能之间的相关关系的认识上存在不足。
许多研究已经揭示了空间位阻斥力效应与PEG侧链长度或者吸附层厚度之间存在正相关关系[6-12]，也有观点认为PCE的工作性能还受其在水泥颗粒表面的覆盖程度的影响[13]。
Gay和Raphaël在2001年首次提出按照侧链接枝密度和主、侧链相对长度对梳形共聚物进行分类[14]。随后，Borget等人将Gay和Raphaël提出的标度关系应用于描述了盐溶液对主链为聚甲基丙烯酸、侧链为聚乙二醇的梳形共聚物的微观构象行为的影响[15]。在2009年，Flatt等人在Gay-Raphaël模型的基础上，提出了描述聚羧酸系减水剂吸附构象的标度理论模型[16]。在此模型中，PCE被简化为非离子型梳形聚合物；借助“链滴”模型，Flatt等人提出了描述PCE溶液和吸附构象尺寸（包括溶液回转半径，吸附层厚度，表面覆盖面积、空间位阻斥力等）的理论计算公式，并通过原子力显微镜（AFM）实验手段表征了PCE分子在氢氧化钙溶液中水化硅酸钙（C-S-H）平面上的吸附构象性质，发现计算结果与实验数据能够很好地吻合。
这些早期研究对认识减水剂的作用机理非常有帮助，但仍需进一步深入和发展，以提高对PCE构效关系的认识。比如，目前对PCE聚合物结构的考察还非常有限。另外，在上述模型中，PCE的聚电解质特性和分子原子间相互作用都没有被考虑进去，也未涉及PEG侧链的聚集行为。
在本文中，作者运用全原子分子动力学（MD）模拟方法研究PCE在不同环境下的构象性质。在MD模拟中，分子的构象变化可通过分析模拟轨迹（即体系的时间演化过程）获得。MD方法已经被应用于研究聚环氧乙烷（PEO）和聚环氧丙烷（PPO）在不同溶剂中的构象形态。近年来，MD方法也被应用于研究混凝土。Mohan等人的研究 [17]表明添加1%~2%的PCE对C-S-H的力学性能没有影响。Mishra等人[18]研究了PCE寡聚物分别在干态和羟基化的硅酸三钙（C3S）表面的吸附情况，发现与羟基化的C3S表面相比，PCE在C3S干态表面上具有更高的吸附能。舒鑫等人[19]考察了主链刚性对PCE构象的影响。但据作者所知，目前尚未有运用MD模拟考察PCE在水泥孔隙溶液中的构象行为的报道。
基于大规模全原子MD模拟结果，本文报道了三类常见聚羧酸减水剂——分别对应甲基丙烯酸甲酯型（PCEM）、烯丙基醚型(PCEA)和异戊烯基醚型(PCEI)——在水溶液和模拟水泥孔隙溶液环境下的构象性质。三类聚羧酸分子侧链上的环氧乙烷聚合度分别为25，34和25，因而在本文中它们被分别记为PCEM-25，PCEA-34和PCEI-25。这些聚羧酸分子具有不同的单体组成比例和分子量（Mw），但在不同掺量的情况下，能够在微型坍落度试验中给出相同的净浆流动度。按照共聚物的序列结构来说，PCEA-34属于交替共聚物，具有ABAB式序列（这里，A和B分别指含有羧基和含有聚乙二醇侧链的单体单元），而PCEM-25属于无规共聚物[20]。基于13C核磁共振光谱（NMR）的表征结果，Plank等人[21]认为PCEI-25具有包含ABA,ABAA和AA嵌段的嵌段共聚物结构，这一结论与实验上所发现的IPEG大分子单体几乎不能自聚的规律是相一致的。
为了理解单体序列结构的影响，作者构建了两种具有相同单体摩尔比（接枝率）和分子量（Mw）、但不同序列结构的PCEI-25：一种是无规共聚物，记为PCEI-25-Ⅰ；另一种为交替共聚物，记为PCEI-25-Ⅱ。
通过分析分子动力学模拟轨迹，计算了包括回转半径、流体力学半径和主侧链根均方末端距等在内的构象性质，并与相应的理论和实验结果进行了比较。
最后，作者还研究了具有不同支化度的多支化聚乙二醇在溶液中的构象形态，目的是考察拥挤效应对PEG侧链聚集行为的影响。
2 材料
2.1 水泥
本文实验研究部分所用到的水泥为常规硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, CEM I 52.5 N Milke®classic from Heidelberg Cement, Geseke plant,Germany），通过X射线衍射法（Bruker D8 advanceinstrument, software Topas 4.0）定量测定的熟料化学成分和矿物组成如表1所示；通过Blaine Instrument（Toni Technik, Berlin,Germany）测得的比表面积为3299 cm2/g；通过激光粒度仪Cilas 1064（Cilas, Marseille, France）测得的颗粒平均粒径为12.02 μm；由氦比重瓶法（Quantachrome, Odelzhausen, Germany）测得的熟料密度为3.16 g/cm3。
表1 熟料的化学成分和矿物组成
2.2 PCE共聚物
图1给出了本文所研究的三类PCE样品（PCEM-25，PCEI-25，PCEA-34）的化学结构。它们各自的合成方法在文献中早有报道[22-24]。得到的聚合物的性质列于表2中。
样品的重均分子量（Mw）、单体转化率（对应表2中的Polymer content）和PDI由配有示差检测器（RI; 2414, Waters, Eschborn, Germany）和三角度动态光散射检测器（mini Dawn from Wyatt Technologies, Santa Barbara, CA, USA）的体积排除色谱（SEC; Waters Alliance 2695 from Waters, Eschborn, Germany）表征获得。淋洗前，聚合物试样先通过0.2 μm的微孔滤膜过滤，然后通过一根Ultrahydrogel前柱和三根Ultrahydrogel分离柱（型号：120，250和500；Ultrahydrogelprecolum）进行分离。流动相为0.1 M硝酸钠水溶液（通过NaOH调整至pH =12.0），流速为1.0mL/min。计算样品的绝对分子量（Mw和Mn）时所采用的折光指数增量（dn/dc）的数值为0.135 mL/g (对应PEO水溶液[25])。
图1 PCE样品的化学结构
表2 聚合物的性质
图2给出了三组PCE样品的SEC淋出谱图。表2中的聚合物含量（转化为聚合物的单体百分比，即单体转化率）是由示差检测器所得到的谱图（RI signal）中聚合物峰所对应的面积（%）计算而来。
图2 PCE样品的SEC淋出谱图
需要注意的是，样品PCEM-25在高分子量区域（淋出体积~15 mL）出现极强的散射峰，这被归因于样品中可能存在的交联PCE。交联反应的发生可能是由于大分子单体中存在双酯（PEG-di-MAA）或者是由于自由基聚合过程中PEG链上的过氧化物[22,26]。 由于交联组分的含量非常低（0.7wt%），这里将其忽略不计。另外，尽管SEC谱图显示样品PCEA-34中含有大量未反应的烯丙基醚大分子单体，简单起见，在模拟中仍将PCEA-34作交替共聚物处理。
图3给出了计算机模拟中所采用的PCE初始（几何优化前）结构。所有的聚合物模型都是通过Materials Studio（Accelrys, Inc.）软件中的Polymer Builder模块构建。由于PCEA为交替共聚物，它的侧链沿骨架的排列要比PCEM和PCEI更为致密。
图3 计算机模拟中所采用的PCE初始结构
根据最终合成产物的分散性能，作者对三组PCE样品中PEG大单体和羧酸单体的比例进行了优化。比如，在PCEM-25中，大单体对羧酸单体的重量比为75/25，该比例与Winnefeld等人的建议[27]相符。在本文中，作者将水泥净浆试验中PCE的掺量全部转化为不包含未反应单体的纯聚合物掺量值（即扣除了残余单体的量），以准确评价聚合物的分散性能。
作者还进一步测定了样品的流体力学半径（Rh(VIS)），以与模拟中所获得的流体力学半径（Rh(MD)）结果进行比较。Rh(VIS)是由聚合物溶液的特性黏数和由静态光散射所给出的重均分子量通过爱因斯坦方程换算而来（译者注：准确地说，这一尺寸为黏度半径，而非由Stokes-Einstein方程或者动态光散射法所给出的流体力学半径）。测试仪器为配有三重检测阵列（TDA 302, Malvern Instruments Ltd, UK）的体积排除色谱（Viscotek GPC Max VE 2001；Malvern InstrumentsLtd, UK）；三重检测器包含一个示差（RI）检测器，一个粘度检测器和两个光散射检测器（小角/90度角，670nm）。在此实验中，PCE样品先通过一个TSK保护柱，然后通过三个TSK凝胶柱（型号：α-5000, α-4000和α-3000；Tosoh Corporation, Tokyo, Japan）进行分离。用到的流动相是乙腈和水的混合溶剂（CH3CN/H2O = 80/20 wt ratio），并含有0.10 M的H3BO3和0.05 M的NaOH，测试温度为40℃，流速为0.8 mL/min。淋洗前，聚合物试样先通过0.2 μm的微孔滤膜过滤。数据处理中所采用的折光指数增量dn/dc = 0.135 mL/g (数值对应PEO水溶液[25])。
2.3 多支化PEG
为了理解PEG侧链在水泥孔隙溶液中的聚集行为，作者还构建了三种多支化PEG，并且模拟了它们在合成水泥孔隙溶液中的构象变化。三种多支化PEG分别记为PEG-100,TMP-150和sorbitol-300。其中，PEG-100是包含100个EO单元的线性聚合物；TMP-150为三羟甲基丙烷EO加成物，拓扑结构为三臂星形，每只手臂包含50个EO单元，通过醚键和丙烷的末端碳相连；sorbitol-300是山梨醇EO加合物，拓扑结构为六臂星形，包含6只PEG手臂，每只手臂含有50个EO单元，通过醚键与山梨醇骨架上的碳原子相连。模拟中所采用的多支化PEG的初始构象如图4所示。
作者还通过实验对模拟所给出的多支化PEG的流体力学半径进行了验证。采用的实验表征手段为动态光散射（DLS），表征仪器为Zetasizer Nano ZSP（Malvern Instruments Ltd, UK），原理是基于Stokes-Einstein方程给出的流体力学半径和扩散系数之间的关系。在DLS实验中，聚合物溶液的浓度为0.5 wt%，温度为25 ℃。
多支化PEG样品是以环氧乙烷和相应的醇为原料、以KOH为催化剂合成而来。
图4 模拟中所采用的多支化PEG的初始构象
3 试验和模拟方法
3.1 净浆流动度
采用“微型坍落度试验”表征水泥净浆的坍落扩展度。固定基准水灰比（w/c）为0.3，测定浆体摊铺直径为26±0.5 cm时所需要的聚合物的掺量，以此为标准评价PCE样品的分散性能。微型坍落度试验为常规方法，具体步骤如下。首先，在瓷杯里加入适量的水将聚合物溶解（注意要将聚合物溶液本身所含有的水的量从混合水的量中扣除）；其次，在5 s时间内，将350 g水泥加入混合水中，然后手动搅拌1 min，放置1 min，再剧烈搅拌2min；将拌合好的水泥净浆迅速倒入放置在玻璃盘上的维卡圆锥截模（Vicat Cone; 高40 mm，顶部直径70 mm，底部直径80 mm）中，将模具垂直提起；待浆体停止流动后测量两个垂直方向的铺摊直径，取其平均值作为净浆的坍落扩展度。所有测试在22 ℃下进行。
3.2 分子动力学模拟
在计算机模拟中，作者采用以下盐类模拟水泥孔隙溶液环境：1.72 g/L CaSO4·2H2O，6.959g/L Na2SO4，4.757g/L K2SO4，7.12 g/L KOH（pH = 13.1）。假设这些盐类在水中完全解离，基于这一假设，溶液中各离子（Ca2+，SO42-，Na+，K+和OH-）的摩尔浓度可严格计算得到，具体数值为：[Ca2+]= 0.010 M，[Na+] = 0.098 M，[K+] = 0.181 M，[SO42-]= 0.086 M，[OH-] = 0.127 M。为方便建模，可进一步将摩尔浓度转化为体积浓度，结果如下：[Ca2+] = 6.087×103 /nm3，[Na+] = 5.901×10-2 /nm3，[K+] = 0.109 /nm3，[SO42-]= 5.203×10-2 /nm3， [OH-]= 7.642×10-2 /nm3。
作者采用Gromacs软件包对聚合物的构象演化进行经典MD模拟[28-31]。模拟采用正则系综（NVT；恒定温度，恒定体积，恒定原子数），体系温度设置为300 K，时间步长为2 fs。采用Lincs约束算法[32]及其并行版本P-Lincs[33]对模拟体系中包含轻原子（主要指氢原子）的化学键的键长进行约束。在正式模拟前，先对体系进行能量最小化；然后在等温等压系综（NPT；恒定温度300 K，恒定压力1bar；译者注：原文错误地将NPT系综称为“巨正则系综”）对体系的密度进行优化，模拟时间为5 ns。最后，在正则系综下对每个体系开展时长为200~350 ns的正式模拟；模拟轨迹的采样周期为20 ps，最后30 ns的轨迹用来计算PCE的构象性质。作者采用VMD这一分子模拟可视化软件[34]对模拟轨迹进行分析，并对诸如回转半径、主/侧链末端距、流体力学半径等性质进行计算。模拟中，作者采用OPLS力场[35]描述聚合物和除OH-、SO42-之外的离子，采用CHARMM力场描述OH-和SO42-离子。
4 结果与讨论
4.1 PCE的分散性能
固定水灰比为0.3，当水泥净浆初始流动度（扩展度）达到26 ± 0.5cm时所需的各PCE样品的掺量为：PCEM-25 0.14wt%，PCEI-25 0.10wt%，PCEA-34 0.14wt%。由此可见，PCEI-25在所测试的三组样品中具有最高的分散能力。
4.2 PCE在水溶液和水泥孔溶液环境下的构象形态
从模拟结果来看，无论是在水溶液还是水泥孔溶液环境下，三组PCE分子的各构象性质的时间演化曲线在200 ns~300 ns时间跨度内均在恒值附近涨落，说明系统达到热力学平衡。
表3列出了计算得到的各构象性质。为了便于比较，同时列出的还有平均场理论模型[14,16]所给出的回转半径（Rg(mf)）和实验测得的流体力学半径（Rh(VIS)）。图5给出了模拟获得的聚合物的最终构象（左边为水溶液中的聚合物构象，右边为水泥孔隙溶液环境下的聚合物构象）。
表3 计算得到的各构象性质
图5 模拟获得的聚合物的最终构象
（左边为水溶液中的聚合物构象，右边为水泥孔隙溶液环境下的聚合物构象）
首先，从图5中可以看出所模拟的PCE分子在水泥孔隙溶液中都发生了卷缩和扭曲。对比PCEI-25-Ⅰ（无规共聚物）和PCEI-25-Ⅱ（交替共聚物）可以看出在水泥孔隙溶液里相邻PEG侧链之间的聚集对主链构象的影响。具体来说，PCEI-25-Ⅰ主链由于受相邻PEG侧链之间的强聚集效应和主链的盐析效应而发生了大幅度的卷缩和扭曲，而PCEI-25-Ⅱ发生卷缩则可能只是因为主链的盐析效应。Bailey 和 Callard早在1959年[36]就揭示了PEO在水中的溶解度会因为盐类的存在而降低，并且在pH值大于12时会大幅降低。类似的盐析效应也可以通过PEG在溶液中疏水性的增加体现出来，并会导致聚合物链的高度缠结。显然，由于盐析效应，三组PCE分子在水泥孔隙溶液中PEG侧链的末端距（Dsidechainsend-end(MD)）均略小于其在纯水溶液中的情况（见表3）。
早期的文献还报导了PEG分子由于氢键作用所导致的聚集行为[37,38]和PEG侧链由于紧密靠近而发生的缠结现象[13,39]。如图5所示，PEG侧链聚集体的尺寸遵循以下趋势：PCEA-34（对应邻近距离= 0.54nm）> PCEM-25（0.58nm）≈PCEI-25-Ⅰ（0.59nm）> PCEI-25-Ⅱ（0.72nm）。这里所给出的对应“邻近距离”是由聚合物初始构象（即图3）计算而来。根据Devanand 和 Selser所报道的PEG在水溶液中分子量与回转半径之间的关系[40]，具有相应聚合度的自由侧链的回转半径将分别为1.31±0.28 nm（对应聚合度P=25）和1.56±0.35 nm （P=34），可见自由侧链尺寸远大于侧链之间邻近距离的一半，有力地表明PEG侧链间可能存在互相作用（译者注：从而导致由于氢键或者缠结引起的聚集行为）。
比较PCE主链的末端距（Dbackboneend-end(MD)），所有PCE分子在水溶液中的主链末端距均大于各自在模拟水泥孔隙溶液环境下的情况（表3），体现出在水溶液中PCE主链会发生较大程度的拉伸（从而显得较为刚性），这被归因于带负电荷的羧酸基团之间的静电斥力。相比而言，在模拟水泥孔隙溶液环境中，主链会发生明显扭曲和卷缩（从而显得较为柔性）。有趣的一点是，在水溶液中，PCE-25-Ⅰ的主链末端距略大于PCEI-25-Ⅱ的主链末端距；然而，在模拟水泥孔隙溶液环境中，PCE-25-Ⅰ的主链末端距却明显更小。这一结果说明PEG侧链沿PCE主链的分布会明显影响PCE的构象。
Bailey等人[41]报道了PEO在水溶液中会与聚丙烯酸（PAA）或者聚甲基丙烯酸（PMAA）形成分子缔合物，原因在于：在低pH值（pH = 4~10）下，聚醚上的氧原子会与羧基会形成的氢键；而在高pH下则存在离子-偶极相互作用。不过，当溶液pH > 7且溶液中存在诸如NaCl的盐类时，离子-偶极相互作用不再存在。因此，这里可以排除PEG侧链和主链上的羧酸基团之间产生络合行为的可能。
接下来，作者对模拟和理论、实验所获得的PCE回转半径和流体力学半径的结果进行了比较。在水溶液条件下，可以看出：对PCEM-25和PCEI-25而言，模拟得到的回转半径的结果（Rg(MD)）要比平均场理论所给出的结果（Rg(mf)）略小；但对于PCEA-34而言，模拟结果却明显小于理论结果。这可能是由于平均场理论模型忽略了PEG侧链间的聚集现象，而模拟结果显示，即使在水溶液条件下，侧链间的聚集现象对PCEA-34来说也是确实存在的。
在模拟水泥孔隙溶液环境下，除PCEA-34外，模拟得到的流体力学半径的结果（Rh(MD)）要比实验值（Rh(VIS)）略小。原因可能在于溶液的高离子强度——在水泥孔隙溶液中和在实验测试所用的流动相中的离子强度分别为I≈210 mM和150 mM——和高pH值（分别为13.1和12.0）所带来的盐析效应（译者注：另外还可能是由于样品的多分散性，原文作者没有谈论样品的多分散性可能导致的实验结果和模拟结果之间的差异）。对于PCEA-34来说，自身所具有的密集PEG侧链之间可能已经存在较强的聚集行为，从而呈现高度卷曲的聚合物构象。
最后，就本文所考察的三种多支化PEG而言，在模拟水泥孔隙溶液环境下，分子动力学模拟结果（见图6）显示只有具有六臂星形拓扑结构的sorbitol-300表现出侧链的强聚集行为，这证实了许多紧靠着的PEG链会处于聚集状态。相比而言，PEG-100线形链和TMP-150三臂星形链没有表现出侧链的聚集现象，而是每条支链呈现较为伸展的溶液构象。表4列出了MD模拟和DLS实验所给出的流体力学半径，分别记为Rh(MD)和Rh(DLS)。结果表明：在模拟水泥孔隙溶液中，PEG-100和TMP-150的尺寸较水溶液环境下的尺寸略小，并且模拟结果（Rh(MD)）与实验结果（Rh(DLS)）吻合较好；对于sorbitol-300来说，模拟结果小于实验结果，这可能由于实验中可能存在的分子间络合行为。
综上所述， PEG侧链间的聚集行为和主链自身的盐析效应促进了PCE主链在模拟水泥孔隙溶液环境下的卷缩和扭曲。
作者还将进一步研究PCE的吸附构象及其与水泥颗粒分散性能的关系，相关结果将另文报道。作者期待这些分子水平上的模拟研究能够揭示聚羧酸系减水剂分子结构与性能的关系，并为下一代具有更高性能的聚羧酸减水剂的设计开发提供帮助。
表4 MD模拟和DLS实验所给出的流体力学半径，分别记为Rh(MD)和Rh(DLS)
图6 在模拟水泥孔隙溶液环境下，分子动力学模拟结果
5 结论
通过全原子分子动力学模拟，研究了三种常规聚羧酸减水剂在水溶液和水泥孔隙溶液中的构象形态。在纯水溶液中，PCE主链由于同种电荷之间的静电排斥作用而呈现较为伸展（刚性）的构象；在模拟水泥孔隙溶液环境下，PCE的主链发生了明显的扭曲和卷缩（显得较为柔性），这被归因于侧链PEG的聚集和主链自身的盐析效应。
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Company Information
江西格雷斯科技股份有限公司成立于2013年，专业从事新型环保建材研发、混凝土技术服务的国家高新技术企业，目前主要生产产品为聚羧酸系混凝土外加剂。
作为一家科技先导型企业，凭借着自身独特的发展模式，成立以来始终坚持以科技引导生产的理念，形成了一套属于江西格雷斯自己核心竞争力。公司引进国际先进的聚羧酸系混凝土外加剂生产设备技术，与国际顶尖科技公司强强合作，所生产的混凝土外加剂产品达到国际一流水平；智控生产优势，全自动数控操作，从母液到成品一次性完成，严格按照ISO9001质量标准体系要求，无人工误差，保证了产品的精准性、合理性、科学性，相比于市场上同类外加剂产品减水率提高3%以上；节能减耗优势，先进的无热源生产设备，改变了传统的作业方式，节约能源，实现了科技环保和减低成本相结合；绿色环保优势，科学的净水供给系统和欧洲无尘车间作业环境，完全符合出口欧盟产品的生产标准;公司拥有稳定的上下游企业资源，年产减水剂5万吨，产品被广泛应用高铁、高速公路等大型工程项目，与南方水泥、万年青水泥、亚东水泥在内的国内大型企业建有长期的合作关系。
公司每年将销售额的10%投入到产品研发当中，建立了一套完整的从研发到检测的产品生产流程，从来料检测到成品出货实行严格监控、检测，品质100%保障。公司坚持走产学研一体化道路，与贵州大学空间结构研究中心合作，成立了以马克俭院士为核心的院士工作站科研团队，研究人员26人，其中中国工程院院士1人，教授3人，副教授6人，博士研究生6人，取得了包括国家自然科学基金、国家科学进步奖在内的多项国家科研成果，拥有自主知识产权的专利几十项。不仅如此，为了开拓国家市场，公司通过“海智计划”积极寻求与国外先进科技团队合作，引入并改进目前先进的聚羧酸减水剂生产工艺，引进Ukrpolimerbeton混凝土外加剂外籍专家科技团队共有8人，包括教授1人，副教授1人，博士2人，副博士2人，研究生2人。承担着江西格雷斯科技股份有限公司混凝土外加剂的新型原料合成技术开发和海外市场的开拓调研任务。依托于先进的科研技术实力，公司不仅着眼于国内市场，还立足于建筑外加剂国际市场前沿的竞争，改变了包括德国BA SI FU、瑞士西卡等世界500强企业一家独大的国际市场产品态势，凭借着优质的产品和高性价比打破了国外大型化工企业的垄断地位，将产品出口至俄罗斯、罗马尼亚、巴基斯坦等国，改变了中国建筑外加剂乃至于化工产品在国际市场上的地位。
公司拥有着经验丰富并富有进取精神的管理团队，是中国早期的混凝土添加剂、减水剂生产及解决方案供应商之一，研发及项目管理队伍都具有十年以上专业 经验，市场开拓极 富进取精神；产品和项目方案实现能力强是全国少有的既有大规模制造能力、高端行业系统集成能力、项目方案设计及施工一体化，又有全国销售渠道及自有产品的公司；良好的客户体验和成功的服务经验 丰富的实践经验和成熟的客户体验，上千家重要行业客户的成功服务经验；卓越的专业服务和领先的解决方案卓越的本地化专业服务能力，以及和国际同步的技术水准和成熟的数字信息显示环境解决方案；丰富的项目经验和完善的服务体系在混凝土添加剂、减水剂等方面有着丰富的项目经验和完整的售后服务体系,在国内屈指可数。
在企业文化和发展规划上，公司以先进的文化理念作为发展的底蕴，创新超越是首要原动力 ，以“到处是创造之地，每天是创造之时，每人是创造之人”作为发展理念，鼓励创新，支持创新，在人才的引进和企业素质的提升上不惜余力。在发展规划上，格雷斯总体发展目标定位于混凝土添加剂、减水剂高端供货商。坚持" 缔造历史，驱动未来"，引领"高铁、建筑、水利、市政建设"等产业潮流。在业务大方向上坚持公共民用建筑事业产品与国家基础建筑事业产品共同发展，不断拓宽业务品种。在市场开拓上，建立标准化的产品营销策略，通过全国和全球的渠道促销，搭配专业的行业公关团队，建立全网络、简约化的电子商务平台。
随着“One BELT One ROAD”战略以基础设施互联互通为先导和突破口，依托国际大通道积极打造国际经济合作走廊，构建安全高效的现代化交通运输网络。中西部地区将以此为契机，进一步提升交通、通讯、电网、管道等基础设施水平，显著增强沿线经济带和城市群的连接性，形成横贯东中西、联结南北方的对外经济走廊，为要素集聚和产业发展创造良好条件。伴随着“One BELT One ROAD”国家重要战略的推行，以及南昌、武汉、长沙“中三角”崛起的推动，中部地区基础设施建设又进入一个新的井喷期，包括高铁、高速公路、大型基础设施建设等等都需要大量的混凝土及其外加剂，这也为混凝土外加剂的发展带来了机遇。在海外，公司已先期与巴基斯坦帕格尔公司达成了建立混凝土技术联合研究中心的合作意向。
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