聚羧酸系減水劑研究亟待解決的6大難題

孫振平

(1.同濟大學 材料科學與工程學院, 上海 201804；2.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 201804)

聚羧酸系減水劑(polycarboxylate based plasticizer，PCE)由于摻量低、減水率高(不小于25%)、增強效果好、分子可調(diào)節(jié)性強，以及合成過程中不使用甲醛等特點，自20世紀80年代末誕生起就受到研究者和工程應(yīng)用者的推崇.特別是21世紀初中國高鐵和大壩工程開始推廣應(yīng)用PCE后，在PCE研究方面掀起了一股浪潮，久未平息.關(guān)于PCE的研究，人們聚焦于其作用機理的解釋、性能的進一步提升、衍生產(chǎn)品的開發(fā)以及應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)化，目的在于徹底解決水泥混凝土實際施工技術(shù)問題，提高混凝土綜合性能(高工作性、高強度、高韌性和高耐久性)，最大程度地實現(xiàn)節(jié)資、利廢、節(jié)能和減排的目標.時至今日，雖然在PCE的研究方面取得了一定成果，但由于對PCE的認知尚淺，所解決的問題只是冰山一角，研究工作仍然十分艱辛！

為激發(fā)更多學者的研究興趣，引導(dǎo)重點研究方向，促成更加有效的研究成果，在此特提出有關(guān)PCE研究的6大難題，歡迎大家批評指正.

難題1：PCE的作用機理

摻入PCE的水泥漿體流動性能會大幅提高.研究人員普遍認為，PCE吸附在水泥顆粒表面，相鄰水泥顆粒表面所吸附的PCE分子主鏈上的羧酸基團通過同性電荷相斥原理產(chǎn)生分散作用，加之，PCE分子的側(cè)鏈可以提供空間位阻作用，因而PCE具有優(yōu)異的分散性能.但是，PCE是如何被吸附在水泥顆粒表面的呢？是靜電作用的結(jié)果還是熵增作用的驅(qū)動，目前仍然沒有定論.此外，摻入PCE的水泥漿體水化誘導(dǎo)期的持續(xù)時間相較未摻PCE的水泥漿體有所延長，在宏觀上表現(xiàn)為水泥漿體凝結(jié)時間推遲.那么，PCE如何實現(xiàn)對水泥漿體的緩凝？為什么摻有PCE的水泥漿體在后來的水化速率反而加快？

難題2：PCE的插層作用

Plank等研究認為，PCE在某些水化產(chǎn)物中可能發(fā)生插層作用.那么PCE發(fā)生插層作用的機理是什么？部分學者認為，水泥漿體液相中的PCE分子可能為水化硅酸鈣(C-S-H)的成核提供位點，那么這是否是發(fā)生插層作用的原因之一？此外，膨潤土和蒙脫土等礦物相蒙脫石也具有層狀結(jié)構(gòu)，了解PCE發(fā)生插層作用的原因可否助力于抗泥型PCE的研發(fā)？

難題3：早強型PCE

學界有部分早強型PCE的研究成果，市面上也已經(jīng)開始出現(xiàn)少量的早強型PCE產(chǎn)品，但是人們對早強型PCE的作用機理仍然存在疑慮.大量試驗結(jié)果表明，PCE的摻入均會不同程度地延緩水泥的水化，降低水泥漿體早期的累積水化放熱量，同時降低早期硬化水泥漿體中CH的生成量.關(guān)于早強型PCE的作用機理，以及該類PCE是否確實促進了水泥漿體的水化，是值得商榷的.

難題4：促凝型PCE

難題5：減縮型PCE

水泥混凝土澆筑后會發(fā)生一系列的收縮，如塑性干燥收縮、化學收縮、自收縮和硬化干燥收縮等，導(dǎo)致其產(chǎn)生收縮裂縫，嚴重影響結(jié)構(gòu)的力學性能和耐久性.大量試驗證明，摻入有效的減縮劑可以使混凝土的塑性干燥收縮、自收縮和硬化干燥收縮率減少40%以上，降低混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重裂縫的概率.關(guān)于減縮劑的作用機理，普遍認可的是：(1)減縮劑的摻入大幅降低了混凝土內(nèi)部液相的表面張力；(2)減縮劑的摻入有助于減緩混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā)速率；(3)減縮劑的摻入改變了混凝土內(nèi)部漿體的孔結(jié)構(gòu).不管減縮劑的作用機理如何，其較大的摻量(1%～ 3%)影響著工程界的使用積極性.由于PCE的水溶液也具有較低的表面張力，人們寄希望于減縮型PCE的成功研發(fā)與投產(chǎn).然而，時至今日，尚未出現(xiàn)規(guī)模化的減縮型PCE產(chǎn)品.

難題6：PCE的適應(yīng)性

雖然PCE在中國減水劑行業(yè)的市場占有率已超過80%，但仍然有些混凝土生產(chǎn)企業(yè)無奈地將所使用的PCE更換為萘系減水劑或脂肪族減水劑.究其原因，在于目前的PCE產(chǎn)品在面對不同地域的混凝土原材料時，其適應(yīng)性難以滿足要求.中國幅員遼闊，PCE的推廣應(yīng)用者面對全國各地不同的原材料和其他外加劑時，即使利用富有經(jīng)驗的復(fù)配技術(shù)，有時仍然束手無策.這些難題主要涉及PCE的適應(yīng)性.通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立不同種類PCE對各種原材料和其他外加劑的影響模型，可能會對企業(yè)在PCE的研發(fā)及應(yīng)用方面大有裨益.

綜上所述，自20世紀80年代誕生以來，PCE雖然已經(jīng)歷經(jīng)30余年的發(fā)展，但關(guān)于PCE作用機理的研究、PCE新品種的開發(fā)以及PCE大規(guī)模應(yīng)用的研究方面仍然有諸多亟待解決的問題.

PCE的研究方興未艾！為了PCE美好的未來，所有相關(guān)研究者應(yīng)該同舟共濟，自強不息，繼往開來！