減水劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

章俊凱（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101199）

減水劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

章俊凱
（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101199）

簡要回顧了混凝土減水劑研制、生產(chǎn)和應(yīng)用歷史，闡述了幾種主要類型減水劑的性能特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀。認(rèn)為開發(fā)減水率更高、性能更優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性更好的新產(chǎn)品是解決減水劑在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的技術(shù)難題、滿足混凝土工程對外加劑多功能化的需求主要發(fā)展方向。

混凝土；減水劑；研究現(xiàn)狀

1 引言

減水劑是混凝土外加劑的一種，用來改善新拌和混凝土性能。當(dāng)在水泥中加入減水劑后，在不改變混合體系組成的條件下，可增加混凝土拌合物的和易性與坍落度；或在混凝土拌合物的和易性不變條件下，減少拌和用水量以提高混凝土的強(qiáng)度與耐久性，并降低因水泥的水合作用而引起的裂變、收縮及熱變形等現(xiàn)象[1]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從減水劑性能的變化方面來看，可以簡單地把減水劑的發(fā)展概括為三個階段：（一）普通減水劑的應(yīng)用與發(fā)展；（二）高效減水劑、流化劑的合成與應(yīng)用階段；（三）高性能減水劑的發(fā)展階段。

20世紀(jì)三十年代初到六十年代，英國、美國、日本等國家已經(jīng)在公路、隧道等工程中使用了塑化劑和其它外加劑。早期使用的減水劑包括松香酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉、硬脂酸皂等有機(jī)物，該時期的普通減水劑得到了廣泛應(yīng)用和較快發(fā)展。萘磺酸甲醛縮合物是1936年由Kennedy發(fā)現(xiàn)的，日本在1962年由服部研制成功以萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分的高效減水劑；1964年聯(lián)邦德國研制成三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物的高效減水劑[2]。此后，從六十年代到七十年代末八十年代初，萘系、三聚氰胺系產(chǎn)品作為高效減水劑、流化劑在許多國家得到廣泛應(yīng)用和較大發(fā)展，此階段產(chǎn)品的特點(diǎn)是減水率較高，但保持混凝土流動性的效果較差，一般通過多次添加法、后摻法、與緩凝劑復(fù)合使用法來加以解決。1985年,在日本發(fā)表了第一篇反應(yīng)性高分子用于萘系的高性能AE減水劑的論文，此后保持混凝土塌落度的高性能減水劑得到日本有關(guān)部門的支持和重視。九十年代初，伴隨高性能混凝土概念提出的同時，聚羧酸系、三聚氰胺系、氨基磺酸系、改性木質(zhì)素磺酸系的高性能減水劑得到迅速的開發(fā)。隨著有關(guān)降低單位用水量和改善施工性能的對策不斷完善，進(jìn)一步推動了流動化混凝土施工方法的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了預(yù)拌混凝土高減水、塌落度保持良好的目的。聚羧酸系減水劑具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如具有高減水、低塌落度損失、低摻量、不緩凝、不受摻加時間影響等性能，某些性能還可以通過生產(chǎn)合成而達(dá)到，如用活性聚合方法可調(diào)整產(chǎn)品的分散性能和引氣性能，另外，環(huán)保問題也可以得到很好的解決。隨著高強(qiáng)、超高強(qiáng)流動性混凝土的需求量不斷增多，需要能使混凝土水膠比在0.25以下且混凝土流動性保持良好的一種高性能減水劑，而聚羧酸類外加劑因其具有超分散性的特點(diǎn)，且能阻止混凝土塌落度損失而不引起明顯的緩凝，從而成為代表混凝土外加劑材料最先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，是化學(xué)外加劑研究開發(fā)的重點(diǎn)。

日本是研究和應(yīng)用聚羧酸系減水劑最多也是最成功的國家，已從研究萘系基本上轉(zhuǎn)向研究聚羧酸系。近年來,北美和歐洲的一些研究者的論文中，也有研究開發(fā)具有優(yōu)越性能的聚羧酸系的報道。目前，研究中心已從磺酸系超塑化劑改性逐漸移向?qū)埕人嵯档难芯縖3]。在我國,萘系高效減水劑應(yīng)用大約有20多年歷史，由于減水率不太高，混凝土塌落度損失過快，難以滿足實(shí)際工程的施工要求，而復(fù)合產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，往往影響到混凝土的凝結(jié)硬化和耐久性；另外，萘系產(chǎn)品的原料日益缺乏，價格上漲，急需研制非萘系減水劑。而我國研究聚羧酸系減水劑尚處于起步階段[4]。

3 我國常用減水劑分類

目前，我國木質(zhì)素磺酸鹽、萘系、氨基磺酸鹽、三聚氰胺、脂肪族等高效減水劑合成工藝技術(shù)穩(wěn)定，萘系高效減水劑產(chǎn)量仍然位居各種減水劑之首。

（1）木質(zhì)素磺酸鹽減水劑是最常用的普通型減水劑，價格便宜，減水率為8%～10%，既可單獨(dú)使用，也可作為復(fù)合型外加劑原料，但該類減水劑易在低水灰比拌合物中造成緩凝，常引入大量空氣而影響混凝土的性能。另外木材種類不同，加工工藝不同，也會對混凝土造成一些未知的危害性。

（2）萘系減水劑產(chǎn)品主要成分為萘磺酸甲醛縮合物，生產(chǎn)工藝簡單，是目前我國產(chǎn)量最大、應(yīng)用面最廣的高效減水劑，其減水率一般為20%左右[5]。在合成工藝上，它是用工業(yè)萘與硫酸在160～150 ℃下磺化，經(jīng)水解與甲醛進(jìn)行縮合反應(yīng)，用燒堿中和而成。隨著建筑業(yè)對高效減水劑的要求日益提高，低濃型的萘系高效減水劑中硫酸鈉含量的居高不下導(dǎo)致了外加劑中堿含量增高、混凝土的耐久性降低，眾多工程出現(xiàn)堿骨料反應(yīng)現(xiàn)象，使用壽命大幅縮短。而且，近年來工業(yè)萘出現(xiàn)全球性短缺，價格不斷上漲，萘系減水劑的發(fā)展應(yīng)用也因此受到了限制。

（3）三聚氰胺高效減水劑的主要成分為磺化三聚氰胺甲醛縮合物，它是用三聚氰胺甲醛及亞硫酸鈉在堿性介質(zhì)中經(jīng)羥甲基化磺化縮聚而成的一種陰離子型、早強(qiáng)、非引氣型高效減水劑，性能優(yōu)異，對環(huán)境友好。但三聚氰胺價格昂貴，且通常只能以較低濃度的液體形式供應(yīng)，致使三聚氰胺類減水劑的價格高于萘系減水劑，因而在國內(nèi)一直不能大量、廣泛的使用。

（4）氨基磺酸鹽高效減水劑具有減水率高、坍落度損失小，含堿量較低的特點(diǎn)，有利于防止混凝土堿骨料反應(yīng)，冬季使用無沉淀、結(jié)晶等特點(diǎn)，適用于配制高性能混凝土。該產(chǎn)品主要成分為氨基苯磺酸鹽苯酚甲醛縮合物，它是由對氨基苯磺酸、苯酚在弱堿性（pH值9左右）條件下與甲醛縮合而成的棕色液體減水劑。此類減水劑雖有較高的減水率，但泌水現(xiàn)象嚴(yán)重。

（5）脂肪族類減水劑是一種高減水、高增強(qiáng)的減水劑品種，具有生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)和使用過程中無三廢排放的優(yōu)點(diǎn)。該產(chǎn)品主要成分為磺化丙酮甲醛縮合物，以丙酮與亞硫酸鈉（或焦亞硫酸鈉，加堿）、甲醛經(jīng)磺化縮合而成。

（6）聚羧酸高性能減水劑是配制高性能混凝土的重要組成材料，曾在武漢的合武高速鐵路、天興洲大橋等大型重點(diǎn)工程建設(shè)的預(yù)拌混凝土中應(yīng)用，并取得良好的應(yīng)用效果。它是一種分子結(jié)構(gòu)為含羧基接枝共聚物的表面活性劑，其分子呈梳形結(jié)構(gòu)，主鏈上帶極性較強(qiáng)的多個活性基團(tuán)，側(cè)鏈帶有親水活性基團(tuán)，主要通過不飽和單體在引發(fā)劑作用下共聚而成。此類產(chǎn)品的分散能力由強(qiáng)靜電斥力與空間位阻共同決定，具低摻用量、高減水率、高增強(qiáng)效果、高保塑性及體積穩(wěn)定性的特點(diǎn)[7]。然而，聚羧酸減水劑母體性能較為單一，品種不多，漸漸無法滿足不同領(lǐng)域不同性能混凝土的要求；對早強(qiáng)、緩凝、泵送等不同性能的需求，無法生產(chǎn)出相應(yīng)的聚羧酸母體，這極大地制約了聚羧酸系減水劑的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

4 展望

隨著混凝土技術(shù)不斷向高強(qiáng)度、高耐久性和多功能性的方向發(fā)展，減水劑作為混凝土中必不可少的組分之一，應(yīng)該在以下幾個方面加強(qiáng)研究和應(yīng)用推廣。

（2）減水劑單體的合成。明確聚合物分子結(jié)構(gòu)及分子排列與性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)性能的可設(shè)計性，從而開發(fā)出具有特殊功能的減水劑產(chǎn)品。

（3）產(chǎn)品的系列化。如聚羧酸減水劑應(yīng)形成如下基本系列產(chǎn)品：標(biāo)準(zhǔn)型、緩凝型、早強(qiáng)型、保坍型、減縮型及降黏型等，目的是在完善這些系列合成產(chǎn)品后，就可以解決現(xiàn)場混凝土遇到的大多數(shù)問題，更好的滿足市場需求，利于推動高性能混凝土的快速發(fā)展。

（4）檢測手段的研究。尤其是對采用不同分子量的聚氧乙烯、聚氧丙烯為封端基團(tuán)的選擇性與方法的檢測、對聚合大單體產(chǎn)品指標(biāo)以及對原材料的檢測手段的研究。

（1）減水劑的應(yīng)用技術(shù)問題。改善減水劑與其他外加劑的相容性，通過將適當(dāng)?shù)膿胶狭先绶勖夯?、礦物等以單摻或復(fù)摻的方式加入到減水劑中來抑制和預(yù)防堿骨料反應(yīng)，或通過其他的新穎的改性方法，使減水劑能夠廣泛的應(yīng)用于工程建設(shè)中。

[1]COLLEPARDI M.Admixtures used to enhance placing characteristics of concrete[J].Cement and Concrete Composites, 1998(20): 103-112.

[2]陳建奎，混凝土外加劑的原理與應(yīng)用[M].中國計劃出版社，1977.

[3]李永德，陳榮軍，孿祟智. 高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J]. 混凝土，2002(9)：10-13.

[4]卞榮兵，聚羧酸高效減水保塌劑的研制與應(yīng)用[J]. 化學(xué)建材，1999(6)：9-11.

[5]廖國勝，馬保國. 丙烯酸系減水劑在水工混凝土中的應(yīng)用[J]. 混凝土，2004(9)：75-77.

[6]PENG Jia-hui，QU Jin-dong，ZHANG Jian-xin. Adsorption characteristics of water-reducing agents on gypsum surface and its effect on the rheology of gypsum plaster[J]. Cement and Concrete Research, 2005(35): 527-531.

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