聚羧酸系高效減水劑的研究綜述

           摘要：概述了聚羧酸系高效減水劑的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析了其減水機(jī)理，提出了聚羧酸類高效減水劑在工程應(yīng)用中存在的技術(shù)問(wèn)題，并對(duì)今后的研究發(fā)展趨勢(shì)作了展望。

　　關(guān)鍵詞：聚羧酸系高效減水劑；減水機(jī)理；應(yīng)用

　　1、引言

　　目前，工程上對(duì)于高性能混凝土的配制需求日益增多，對(duì)其要求也越來(lái)越嚴(yán)格。在配制高性能混凝土?xí)r，為了提高混凝土密實(shí)性、強(qiáng)度和耐久性，必須降低水膠比。低水膠比將導(dǎo)致混凝土的粘稠度增加，流變性變差，施工困難。解決這一矛盾最有效最現(xiàn)實(shí)的途徑就是摻入高效減水劑[1]。因此，研制成本低、綜合效益好的高效減水劑已經(jīng)迫在眉睫。高效減水劑作為高性能混凝土的重要組成部分，越來(lái)越多地受到工程技術(shù)人員的重視，其市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值都不可估量[2]。

　　傳統(tǒng)的萘系減水劑具有良好的硬化性能及合理的價(jià)格，但其保水性、保坍性不夠理想，減水率也尚需進(jìn)一步提高。20世紀(jì)90年代興起新一代減水劑，聚羧酸系高效減水劑，被業(yè)內(nèi)稱為第三代高效減水劑，是目前應(yīng)用前景最好、綜合性能最優(yōu)異的減水劑。其減水率高達(dá)30%~40%，可使水泥及膠凝材料的性能達(dá)最佳狀態(tài)；能夠改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)程度，更好地控制混凝土的坍落度損失、引氣、緩凝和泌水等問(wèn)題；能與各種類型的水泥、火山灰以及其它摻合料配合使用，并具有較好的相容性，即使在低摻量時(shí)，也能使混凝土具有高流動(dòng)性，并且在低水灰比時(shí)具有低粘度及坍落度經(jīng)時(shí)變化小的性能；能增大替代波特蘭水泥的粉煤灰及磨細(xì)礦渣的摻加量等。目前，對(duì)聚羧酸系高效減水劑的研究已引起了各國(guó)的重視并已成為外加劑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　2、聚羧酸系高效減水劑的研究現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，在發(fā)達(dá)國(guó)家一些研究者的論文中，出現(xiàn)了許多關(guān)于研發(fā)具有優(yōu)越性能的聚羧酸系減水劑的報(bào)道，研究?jī)?nèi)容已從磺酸系超塑化劑改性逐漸移向?qū)埕人嵯档难芯俊Ｈ毡臼紫扔?0年代初開發(fā)出聚羧酸系高效減水劑，1985年開始逐漸應(yīng)用于混凝土工程。1995年以后，日本將聚羧酸系減水劑大量應(yīng)用于高層建筑，對(duì)其使用量超過(guò)了萘系減水劑，占到高效減水劑的90%。迄今為止，日本是應(yīng)用聚羧酸系減水劑最多也是最成功的國(guó)家，有關(guān)方面的專利有十余篇，基本以丙烯酸及馬來(lái)酸酐為主，且大多數(shù)是在溶劑型體系中合成的。北美和歐洲各國(guó)近幾年也推出了各自的聚羧酸類減水劑，有關(guān)專利達(dá)十余篇，同樣也是在溶劑型體系中完成的。還有研究者對(duì)共聚物的改性進(jìn)行了研究。目前美國(guó)正從萘系、密胺系減水劑向聚羧酸系高性能減水劑方向發(fā)展，并將其應(yīng)用于實(shí)際工程中。

　　在我國(guó)，混凝土外加劑的研發(fā)只相當(dāng)于日本上世紀(jì)80年代中期水平，而聚羧酸系高效減水劑的研發(fā)剛剛起步。由于成本和技術(shù)性能問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研制的聚羧酸系減水劑幾乎都未達(dá)到實(shí)用化階段，只有少量用作坍落度損失控制劑與萘系減水劑復(fù)合，用量占減水劑總用量的2%。從國(guó)內(nèi)期刊及學(xué)報(bào)的相關(guān)論文來(lái)看，國(guó)內(nèi)對(duì)聚羧酸系減水劑產(chǎn)品的研究?jī)H處于試驗(yàn)研制階段，從減水劑原材料選擇到生產(chǎn)工藝、提高性能、降低成本等諸多方面，還有待進(jìn)一步改善。

　　3、聚羧酸系高效減水劑的減水機(jī)理

　　聚羧酸高效減水劑結(jié)構(gòu)呈梳形，其大分子鏈上一般都接枝不同的活性基團(tuán)，主鏈上帶有多個(gè)活性基團(tuán)，且極性較強(qiáng)，側(cè)鏈也帶有親水性的活性基團(tuán)。通常認(rèn)為聚羧酸系減水劑的減水效果關(guān)鍵是大分子鏈上的羧基、磺酸基等產(chǎn)生的陰離子效應(yīng)和中性聚氧乙烯長(zhǎng)側(cè)鏈的空間阻礙作用，其主要通過(guò)立體位阻作用保持水泥粒子的分散。聚羧酸系減水劑分子中含有較多較長(zhǎng)的支鏈，當(dāng)它們吸附在水泥顆粒表層后，可以在水泥表面上形成較厚的立體包層，從而使水泥達(dá)到較好的分散效果。同時(shí)，聚合物親水性長(zhǎng)側(cè)鏈在水泥礦物水化產(chǎn)物中仍然可以伸展開，這樣聚羧酸減水劑受到水泥的水化反應(yīng)影響就小，可以長(zhǎng)時(shí)間地保持其分散效果，使坍落度損失減小。

　　水泥顆粒表面存在靜電荷，部分正電荷被空氣中的自由電荷中和，但負(fù)電荷仍然處于不平衡狀態(tài)。在沒有加入減水劑時(shí)，負(fù)電荷被鈣離子層屏蔽，形成所謂的雙離子層。當(dāng)顆粒間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙離子層間的距離時(shí)，靜電屏蔽力占優(yōu)勢(shì)。顯然，中性的顆粒由于表面張力的作用和靜電排斥力的消失而團(tuán)聚，水泥漿流動(dòng)性很低。加入減水劑后，吸附在水泥顆粒表面的減水劑大分子鏈可以慢慢減少帶負(fù)電粒子附近的正離子的濃度，從而增大了屏蔽層的作用，也增大了粒子間的排斥力的作用范圍。但靜電排斥力仍然存在，并且將顆粒分散開。聚羧酸減水劑能保持水泥漿流動(dòng)度不損失的主要原因與水泥粒子表面減水劑高分子吸附層的立體排斥力有關(guān)，是立體排斥力保持了其分散系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)減水劑降低了表面張力，表面張力導(dǎo)致的粒子間的粘合力也就降低了。

　　4、聚羧酸系高效減水劑的應(yīng)用問(wèn)題

　　聚羧酸系高效減水劑之所以可以大幅度減小用水量，機(jī)理就在于其可以有效地破壞水泥漿體的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放出內(nèi)部的自由水，即削弱了水泥顆粒與水之間的作用，從這種角度來(lái)說(shuō)，它總是會(huì)不同程度地加劇拌合物的泌水和沉降離析，出現(xiàn)粉煤灰上浮現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在建筑物的樓板混凝土澆筑過(guò)程中尤為突出，也是現(xiàn)今混凝土澆筑后常在表面出現(xiàn)花斑、形成蜂窩麻面、產(chǎn)生沿著箍筋的塑性收縮裂縫等瑕疵的重要原因。聚羧酸系高效減水劑雖然可以依靠一些基團(tuán)，例如引氣基團(tuán)的作用，改善漿體的穩(wěn)定性，但是在表面密實(shí)性和外觀要求很高的工程中，還需要復(fù)合使用保水性良好的組分。

　　近年來(lái)，為了減小使用萘系減水劑配制混凝土拌合物造成的坍落度損失，工程技術(shù)人員已越來(lái)越多地采用將其與聚羧酸系減水劑復(fù)合使用的做法，取得了良好的效果，而且復(fù)合使用可以避免單用后者時(shí)出現(xiàn)的泌水、離析明顯的問(wèn)題，也更為經(jīng)濟(jì)。聚羧酸系減水劑能否與萘系減水劑復(fù)合使用，取決它的原材料和生產(chǎn)工藝。有的聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的相容性良好，可以隨意與萘系減水劑復(fù)合，而有的聚羧酸系減水劑不僅不能與萘系減水劑復(fù)合使用，甚至當(dāng)用沒有清洗干凈的裝運(yùn)過(guò)摻有聚羧酸系減水劑拌合物的罐車，繼續(xù)裝運(yùn)摻萘系減水劑的拌合物時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)明顯的坍落度損失，以至出現(xiàn)卸車?yán)щy的問(wèn)題。所以復(fù)合使用前一定要進(jìn)行兩種減水劑的相容性試驗(yàn)。

　　5、結(jié)論

　　現(xiàn)今，聚羧酸類減水劑已成為世界性的研究熱點(diǎn)，也引起了國(guó)內(nèi)同行的重視。隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)生活環(huán)境的要求不斷提高，對(duì)混凝土的需求及其性能的要求也在不斷提高。因此，對(duì)具有高減水率和高保坍性能的高性能減水劑的需求量也會(huì)隨之增大。聚羧酸系減水劑將向著高性能、多功能化、綠色化、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，推廣使用性能優(yōu)異的聚羧酸系超塑化劑成為當(dāng)今時(shí)代的一個(gè)必然趨勢(shì)。因此，科技工作者將更加注重聚羧酸系高性能減水劑的研究和應(yīng)用，更多地從混凝土的強(qiáng)度、工作性、耐久性、價(jià)格等方面綜合考慮其開發(fā)潛能。可以預(yù)見，在不久的將來(lái)，聚羧酸系高效減水劑將會(huì)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)混凝土材料向高技術(shù)方向發(fā)展。