高性能減水劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063000)

前言

混凝土材料的發(fā)展已經(jīng)有200多年的歷史了。其良好的發(fā)展得益于自身強(qiáng)度高、耐久性好、工藝簡單、成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，混凝土一直是世界上主要的建筑材料。

為進(jìn)一步提高混凝土的力學(xué)與耐久性能，混凝土技術(shù)也正向著高新技術(shù)方向發(fā)展?；炷镣饧觿┦侵笧楦纳坪驼{(diào)節(jié)混凝土的性能而摻加的物質(zhì)，在工程中的應(yīng)用越來越受到重視，其中減水劑是混凝土外加劑中使用最廣泛的一種，可以單獨(dú)使用，也可與其他功能性組分復(fù)配，以改善新拌和混凝土性能[1]。

一、減水劑的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

(一)國外減水劑的發(fā)展?，F(xiàn)代混凝土外加劑的發(fā)展從20世紀(jì)20年代開始，早期減水劑的雛形是由美國的斯克里最先發(fā)現(xiàn)亞硫酸鹽紙漿廢液能改善混凝土的流動(dòng)性、提高強(qiáng)度和耐久性，并最早研制成功木質(zhì)磺酸鹽減水劑。20世紀(jì)60-70年代減水劑高速發(fā)展，日本的服部健一等成功研制了以β-萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分的萘系高效減水劑，聯(lián)邦德國也成功研制了一種主要成分為三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑，現(xiàn)代混凝土外加劑的發(fā)展進(jìn)入了新的階段，同時(shí)也奠定了現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。這類減水劑對水泥的分散作用很強(qiáng)，但混凝土坍落度較差。只有開發(fā)新型的多功能活性基團(tuán)的減水劑，才能從根本上解決保坍性的問題。

1995年，日本觸媒公司經(jīng)過烯烴和不飽和羧酸的共聚研制開發(fā)出了摻量少、減水率更高和坍落度損失更小的聚羧酸減水劑，彌補(bǔ)之前減水劑的缺陷。此后歐美等發(fā)達(dá)國家也相繼將減水劑的研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到聚羧酸系列上，使其性能日趨完善。

(二)國內(nèi)減水劑的發(fā)展。我國對減水劑的研究和應(yīng)用相對較晚，20世紀(jì)50年代葦漿尾液濃縮物、木質(zhì)素磺酸鈣的成功研制，標(biāo)志著我國減水劑研究取得了第一次質(zhì)的飛躍。1975 年，清華大學(xué)盧璋等人成功完成了萘系減水劑的合成實(shí)驗(yàn)和機(jī)理研究，標(biāo)志著我國混凝土外加劑進(jìn)入了以萘系減水劑為代表的第二代高效減水劑階段。21 世紀(jì)我國進(jìn)入了對聚羧酸系減水劑的研究階段，還未形成生產(chǎn)規(guī)模。近年來我國基礎(chǔ)建設(shè)的高速增長對混凝土外加劑的需求也每年遞增，混凝土外加劑也處于高速發(fā)展階段。

但是我國在減水劑方面的研究仍落后與某些發(fā)達(dá)國家，今后的發(fā)展趨勢將是高減水率、高保坍性、高早強(qiáng)性和高工作性，所以我國對減水劑的研究仍有很長的路要走[2]。

二、高性能減水劑

聚羧酸減水劑是目前世界上應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用前景最好、綜合性能最優(yōu)的一種混凝土減水劑。

(一)聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。聚羧酸減水劑可根據(jù)混凝土的實(shí)際性能需要進(jìn)行減水劑分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其分子大多呈梳形結(jié)構(gòu)，主鏈上帶有多個(gè)極性較強(qiáng)的活性基團(tuán)，依附在主鏈上有長度不一的支鏈，帶有數(shù)量占多數(shù)的親水性活性基團(tuán)以及分子鏈較短、數(shù)量少的疏水基[3]。

(二)聚羧酸減水劑的作用機(jī)理

1.靜電斥力。聚羧酸減水劑實(shí)際上是一種陰離子表面活性劑。在混凝土中加入減水劑，其分子可以吸附在水泥顆粒表面，組成單分子或多分子吸附膜，使水泥顆粒帶負(fù)電荷，并處于相對穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，拆散水泥水化初期形成絮凝結(jié)構(gòu)，釋放游離水，增加混凝土的流動(dòng)性。

2.空間位阻。聚合物減水劑吸附在水泥顆粒表面，在水泥顆粒表面形成一層一定厚度的聚合物分子吸附層，如果水泥顆粒相互移動(dòng)并靠近，吸附層便會(huì)發(fā)生重疊，水泥顆粒之間產(chǎn)生斥力作用，重疊的越多，斥力也就越大，從而使水泥顆粒分散并穩(wěn)定。

3.水化膜潤濕作用。減水劑大分子含有大量極性基團(tuán)，如聚羧酸高性能減水劑含有羧基和醚基等。這些基團(tuán)具有較強(qiáng)親水作用，極易與極性水分子以氫鍵的形式締合，可使水泥顆粒表面上形成一層穩(wěn)定的具有一定機(jī)械強(qiáng)度的溶劑化水化膜，該水化膜對于水泥顆粒起到了潤濕作用，阻止了水泥顆粒之間的相互凝結(jié)，使水泥具有較好的流動(dòng)性，在宏觀上表現(xiàn)為新拌混凝土流動(dòng)性增大[4-6]。

(三)摻聚羧酸系減水劑混凝土的性能特點(diǎn)

1.摻量低,減水率高。聚羧酸系高效減水劑的分散減水機(jī)理獨(dú)具特色,雖然在水泥顆粒表面的吸附量較少,但由于其帶有許多支鏈,可以產(chǎn)生空間位阻效應(yīng),因而摻量少時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好的塑化效果。按照固體量計(jì)算,摻量一般為0.1%～0.3%,此摻量該減水劑的減水率約與0.6% ～0.9%的萘系高效減水劑的減水率相當(dāng)。

2.保塑性強(qiáng),坍落度損失低。聚羧酸高效減水劑能有效控制混凝土拌合物的坍落度經(jīng)時(shí)損失,而且對硬化時(shí)間影響不大。在同樣原材料條件下,摻聚羧酸系高性能減水劑混凝土拌合物的流動(dòng)性、流動(dòng)保持性和整體狀態(tài)明顯好于萘系,很少存在泌水、分層、緩凝等現(xiàn)象。

3.低收縮。摻聚羧酸系高效減水劑混凝土的體積穩(wěn)定性與萘系等第二代減水劑混凝土相比有較大提高。如果聚羧酸系高效減水劑在原材料選擇與配方設(shè)計(jì)方面對此性能繼續(xù)加以改善與提高,該類產(chǎn)品的推廣應(yīng)用將會(huì)顯著提高混凝土的體積穩(wěn)定性,大大降低結(jié)構(gòu)混凝土的開裂幾率。

4.一定的引氣性和輕微的緩凝性。聚羧酸減水劑含有一系列親水性基團(tuán),如羧基、醚基、羥基,因此具有一定的液-氣界面活性作用和一定的引氣量及輕微的緩凝性[7]。

三、減水劑的發(fā)展趨勢

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，基礎(chǔ)建設(shè)所需混凝土量大，要求高質(zhì)量、高耐久性的大環(huán)境下,我國聚羧酸減水劑有很大的市場需求。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，聚羧酸減水劑的研究還需努力向高性能化、功能化、綠色化發(fā)展，主要有以下幾個(gè)方向：

1.分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：加強(qiáng)聚合物分子結(jié)構(gòu)與性能的可設(shè)計(jì)性，探究分子結(jié)構(gòu)、分子排列與性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可以定向開發(fā)混凝土減水劑的目標(biāo)。

2.產(chǎn)品多樣化：聚羧酸減水劑應(yīng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)緩凝、早強(qiáng)、保坍、減縮及降黏等效果，降低商品混凝土使用成本，解決問題，更好的滿足市場需求，利于推動(dòng)高性能混凝土的快速發(fā)展。

3.綠色環(huán)保：目前部分聚羧酸減水劑的制備過程仍然需要使用揮發(fā)性有機(jī)溶劑作為帶水劑接枝聚醚側(cè)鏈，該工藝流程存在溫度高、加工時(shí)間長的缺點(diǎn)，最主要的是有機(jī)溶劑的使用難免會(huì)對生產(chǎn)工人和環(huán)境造成不利影響，因此聚羧酸減水劑的制備合成過程及產(chǎn)物應(yīng)努力向無毒無害，綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

在現(xiàn)有的條件下，從多方面深入的進(jìn)行研究、開發(fā)出具備更優(yōu)異性能的混凝土外加劑，對我國混凝土材料和技術(shù)的發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)意義。