混凝土聚羧酸高效減水劑的發(fā)展現(xiàn)狀

靳華蕾 ，宮艷超 ，蔣磊 ，成莞莞

（1.天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300408;2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300142）

目前,混凝土攪拌站多數(shù)設(shè)置在城市的邊緣地區(qū)，使得混凝土生產(chǎn)與澆筑間存在一段運(yùn)輸距離，會(huì)導(dǎo)致混凝土損失，降低其泵送功能。引發(fā)同坍落度損失，包括進(jìn)場(chǎng)材料方面及天氣方面。其中，原材料的功能發(fā)揮，大部分來源于水泥、粒料級(jí)配、減水劑等。添加減水劑，可以使得混凝土有水膠比小、單方用水量少、水泥用量少等優(yōu)點(diǎn)。其中聚羧酸鹽減水劑，減水率高，鎖水性能好，可以成為該行業(yè)今后發(fā)展目標(biāo)[1,2]。

1 聚羧酸減水劑

1.1 聚羧酸減水劑特點(diǎn)

我們國(guó)內(nèi)的減水劑大體包含3種，即酯類、醚類以及高效能聚醚類。

從分子角度來看，聚羧酸減水劑存在可設(shè)計(jì)性；從理論來看，其存在無限構(gòu)造空間。依據(jù)實(shí)際需求，可設(shè)計(jì)多種功能的該類分子?，F(xiàn)在聚羥酸減水劑中，聚酯型與聚醚型，本質(zhì)同是大單體，其區(qū)另為側(cè)鏈、主鏈銜接不同。如果大單體和主鏈為酯鍵連接，或大單體自身存在酯鍵，這就是聚酯型減水劑；如果大單體中僅存在醚鍵，或者側(cè)鏈以醚鍵和主鏈相連，這種就是聚醚型減水劑[3,4]。

聚羥酸減水劑是聚羧酸系的一個(gè)品種，其主要技術(shù)指標(biāo)可參考其化學(xué)式如圖1所示。

圖1 聚羥酸化學(xué)結(jié)構(gòu)

其主要技術(shù)指標(biāo)可參考現(xiàn)行規(guī)范《混凝土外加劑》（GB8076-2008），聚羧酸類減水劑優(yōu)點(diǎn)，包括:低添加量卻能發(fā)揮大分散性能；保坍性好，內(nèi)坍落度基本無損失；同流動(dòng)度時(shí)，延遲凝結(jié)時(shí)間較??；化學(xué)式自由度大，外加劑生產(chǎn)過程中可變因素復(fù)雜，發(fā)揮范圍廣；在合成時(shí)，不添加甲醛，幾乎產(chǎn)生零污染；能夠和其他混凝土外加劑較好相容；這種減水劑，能夠用較多工業(yè)廢渣、粉煤灰代替水泥，起到降低施工成本作用等。

1.2 工作原理

一般減水劑當(dāng)被水泥粒子吸附時(shí)，變成剛性鏈形態(tài)，立體效應(yīng)無法展現(xiàn)，坍損現(xiàn)象不能解決。聚羧酸系的羥基、磺酸基負(fù)離子存在電斥力，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同摻量時(shí)，聚羧酸系的屯電位，不大于萘系的，而分散效果比萘系好。另外，聚羧酸里面的醚鍵和水分子結(jié)合成氫鍵，構(gòu)成保護(hù)膜，其有分散效果，同時(shí)可使水泥粒子穩(wěn)定[5,6]。依據(jù)效應(yīng)理論來看，側(cè)鏈長(zhǎng)度與分散效果成正比。對(duì)于普通的混凝土配合比，長(zhǎng)側(cè)鏈鍵聚合物沒有出現(xiàn)大的減水效果。

聚羧酸系高分子，依托于負(fù)離子間電斥力，以及側(cè)鏈三維效果。從這個(gè)角度講，改變聚合物主鏈每個(gè)官能團(tuán)間權(quán)重、主側(cè)鏈長(zhǎng)度、接支數(shù)目，待結(jié)構(gòu)平衡后，便可提高減水率與坍落度的功效。聚羧酸類減水劑，吸附水泥微粒，因?yàn)槠溆忻焰I，構(gòu)成相對(duì)厚實(shí)保護(hù)膜，使得水泥穩(wěn)定。

不同類別減水劑的工作原理不一樣，萘系為吸附到水泥微粒表面，使水泥微粒間出現(xiàn)靜電力，隨后產(chǎn)物覆蓋到其表面，會(huì)削弱其靜電力，而聚羧酸減水劑附著于水泥上，導(dǎo)致水泥粒子間出現(xiàn)更強(qiáng)的空間位阻力，因此擁有更高的減水性能。另外，聚羧酸分子是鏈狀結(jié)構(gòu)，主鏈上連接有較長(zhǎng)的側(cè)鏈，當(dāng)水化產(chǎn)物覆蓋到水泥顆粒表面時(shí)仍能使水泥顆粒間保持分散，所以相對(duì)萘系減水劑來說，聚羧酸類能使混凝土有更小坍落度損失，但是，聚羧酸類更加敏感，原材料組分細(xì)微變化、原材料質(zhì)量惡化，都會(huì)對(duì)其使用效果造成明顯影響。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，聚羧酸鹽減水劑逐漸從實(shí)驗(yàn)邁向?qū)嵺`，越來越多學(xué)者的關(guān)注與科研,為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了諸多參考。如今的聚羧酸系減水劑，是通過控制聚合物中長(zhǎng)短側(cè)鏈的濃度，來控制混凝土拌合物的流動(dòng)性以及控制流動(dòng)性損失。但高效減水劑中大多數(shù)為萘系。因其在使用時(shí)，砼坍落度損失相對(duì)快，無法達(dá)到相關(guān)技術(shù)要求，并且，因?yàn)閺?fù)合產(chǎn)品不穩(wěn)定，對(duì)混凝土硬化與耐久性產(chǎn)生了影響。這一弱點(diǎn)，是抑制其發(fā)展的關(guān)鍵因素。而氨基磺酸系，具有單環(huán)芳烴型結(jié)構(gòu)特征，由于減水率高、坍落度好、施工較便捷，使得與聚羧酸系一起，是各地討論的焦點(diǎn)。目前我國(guó)這二者的研究剛剛開始，會(huì)是今后發(fā)展的重點(diǎn)方向[7]。

在國(guó)外，砼減水劑經(jīng)歷了很長(zhǎng)的發(fā)展歷史。通過烯烴與不飽和羧酸的共聚，日本研發(fā)新型減水劑，該類的特點(diǎn)是添加量少、減水效果高、坍落度損耗小等。和前兩代相比，它彌補(bǔ)了穩(wěn)定性差、保坍性差的不足。同時(shí)，它能夠用來配備高流動(dòng)性、自密實(shí)混凝土，被稱為第三代減水劑。隨后，西方一些發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸轉(zhuǎn)移研制重點(diǎn)，逐步過渡于聚羧酸上[9]。

3 展望

在混凝土施工中，摻入一定量的聚羧酸外加劑，使得承包方在實(shí)際工程中，將混凝土的成本減小近20%，有著相對(duì)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。作為配制混凝土的減水劑，聚羥酸類作為改善混凝土性能的一關(guān)鍵因素。聚羧酸類的摻入，可以使得坍落度符合規(guī)范要求。另外，也使得施工快捷，值得于抗?jié)B混凝土施工時(shí)廣泛應(yīng)用。

但是，對(duì)于具有其他特殊功能的聚羧酸鹽減水劑，例如有抗泥功能的減水劑，這方面的研究還相對(duì)比較少。其對(duì)水泥的分散性能還不是很理想，在后續(xù)研究中，我們可以引入一些新功能基團(tuán)，以此來提高相應(yīng)的分散性能。另一方面，比如對(duì)于粘土和其的作用原理、抗泥減水劑和粘土的作用機(jī)理等等，都亟需更加系統(tǒng)的研究，便可對(duì)實(shí)際工程提供相應(yīng)理論基礎(chǔ)。