聚羧酸系高效减水剂的研究综述

           摘要：概述了聚羧酸系高效减水剂的国内外研究现状，分析了其减水机理，提出了聚羧酸类高效减水剂在工程应用中存在的技术问题，并对今后的研究发展趋势作了展望。

　　关键词：聚羧酸系高效减水剂；减水机理；应用

　　1、引言

　　目前，工程上对于高性能混凝土的配制需求日益增多，对其要求也越来越严格。在配制高性能混凝土时，为了提高混凝土密实性、强度和耐久性，必须降低水胶比。低水胶比将导致混凝土的粘稠度增加，流变性变差，施工困难。解决这一矛盾最有效最现实的途径就是掺入高效减水剂[1]。因此，研制成本低、综合效益好的高效减水剂已经迫在眉睫。高效减水剂作为高性能混凝土的重要组成部分，越来越多地受到工程技术人员的重视，其市场前景和应用价值都不可估量[2]。

　　传统的萘系减水剂具有良好的硬化性能及合理的价格，但其保水性、保坍性不够理想，减水率也尚需进一步提高。20世纪90年代兴起新一代减水剂，聚羧酸系高效减水剂，被业内称为第三代高效减水剂，是目前应用前景最好、综合性能最优异的减水剂。其减水率高达30%~40%，可使水泥及胶凝材料的性能达最佳状态；能够改善混凝土孔结构和密实程度，更好地控制混凝土的坍落度损失、引气、缓凝和泌水等问题；能与各种类型的水泥、火山灰以及其它掺合料配合使用，并具有较好的相容性，即使在低掺量时，也能使混凝土具有高流动性，并且在低水灰比时具有低粘度及坍落度经时变化小的性能；能增大替代波特兰水泥的粉煤灰及磨细矿渣的掺加量等。目前，对聚羧酸系高效减水剂的研究已引起了各国的重视并已成为外加剂领域的研究热点。

　　2、聚羧酸系高效减水剂的研究现状

　　近年来，在发达国家一些研究者的论文中，出现了许多关于研发具有优越性能的聚羧酸系减水剂的报道，研究内容已从磺酸系超塑化剂改性逐渐移向对聚羧酸系的研究。日本首先于80年代初开发出聚羧酸系高效减水剂，1985年开始逐渐应用于混凝土工程。1995年以后，日本将聚羧酸系减水剂大量应用于高层建筑，对其使用量超过了萘系减水剂，占到高效减水剂的90%。迄今为止，日本是应用聚羧酸系减水剂最多也是最成功的国家，有关方面的专利有十余篇，基本以丙烯酸及马来酸酐为主，且大多数是在溶剂型体系中合成的。北美和欧洲各国近几年也推出了各自的聚羧酸类减水剂，有关专利达十余篇，同样也是在溶剂型体系中完成的。还有研究者对共聚物的改性进行了研究。目前美国正从萘系、密胺系减水剂向聚羧酸系高性能减水剂方向发展，并将其应用于实际工程中。

　　在我国，混凝土外加剂的研发只相当于日本上世纪80年代中期水平，而聚羧酸系高效减水剂的研发刚刚起步。由于成本和技术性能问题，国内研制的聚羧酸系减水剂几乎都未达到实用化阶段，只有少量用作坍落度损失控制剂与萘系减水剂复合，用量占减水剂总用量的2%。从国内期刊及学报的相关论文来看，国内对聚羧酸系减水剂产品的研究仅处于试验研制阶段，从减水剂原材料选择到生产工艺、提高性能、降低成本等诸多方面，还有待进一步改善。

　　3、聚羧酸系高效减水剂的减水机理

　　聚羧酸高效减水剂结构呈梳形，其大分子链上一般都接枝不同的活性基团，主链上带有多个活性基团，且极性较强，侧链也带有亲水性的活性基团。通常认为聚羧酸系减水剂的减水效果关键是大分子链上的羧基、磺酸基等产生的阴离子效应和中性聚氧乙烯长侧链的空间阻碍作用，其主要通过立体位阻作用保持水泥粒子的分散。聚羧酸系减水剂分子中含有较多较长的支链，当它们吸附在水泥颗粒表层后，可以在水泥表面上形成较厚的立体包层，从而使水泥达到较好的分散效果。同时，聚合物亲水性长侧链在水泥矿物水化产物中仍然可以伸展开，这样聚羧酸减水剂受到水泥的水化反应影响就小，可以长时间地保持其分散效果，使坍落度损失减小。

　　水泥颗粒表面存在静电荷，部分正电荷被空气中的自由电荷中和，但负电荷仍然处于不平衡状态。在没有加入减水剂时，负电荷被钙离子层屏蔽，形成所谓的双离子层。当颗粒间的距离远远大于双离子层间的距离时，静电屏蔽力占优势。显然，中性的颗粒由于表面张力的作用和静电排斥力的消失而团聚，水泥浆流动性很低。加入减水剂后，吸附在水泥颗粒表面的减水剂大分子链可以慢慢减少带负电粒子附近的正离子的浓度，从而增大了屏蔽层的作用，也增大了粒子间的排斥力的作用范围。但静电排斥力仍然存在，并且将颗粒分散开。聚羧酸减水剂能保持水泥浆流动度不损失的主要原因与水泥粒子表面减水剂高分子吸附层的立体排斥力有关，是立体排斥力保持了其分散系统的稳定性。同时，当减水剂降低了表面张力，表面张力导致的粒子间的粘合力也就降低了。

　　4、聚羧酸系高效减水剂的应用问题

　　聚羧酸系高效减水剂之所以可以大幅度减小用水量，机理就在于其可以有效地破坏水泥浆体的絮凝结构，释放出内部的自由水，即削弱了水泥颗粒与水之间的作用，从这种角度来说，它总是会不同程度地加剧拌合物的泌水和沉降离析，出现粉煤灰上浮现象，这种现象在建筑物的楼板混凝土浇筑过程中尤为突出，也是现今混凝土浇筑后常在表面出现花斑、形成蜂窝麻面、产生沿着箍筋的塑性收缩裂缝等瑕疵的重要原因。聚羧酸系高效减水剂虽然可以依靠一些基团，例如引气基团的作用，改善浆体的稳定性，但是在表面密实性和外观要求很高的工程中，还需要复合使用保水性良好的组分。

　　近年来，为了减小使用萘系减水剂配制混凝土拌合物造成的坍落度损失，工程技术人员已越来越多地采用将其与聚羧酸系减水剂复合使用的做法，取得了良好的效果，而且复合使用可以避免单用后者时出现的泌水、离析明显的问题，也更为经济。聚羧酸系减水剂能否与萘系减水剂复合使用，取决它的原材料和生产工艺。有的聚羧酸系减水剂与萘系减水剂的相容性良好，可以随意与萘系减水剂复合，而有的聚羧酸系减水剂不仅不能与萘系减水剂复合使用，甚至当用没有清洗干净的装运过掺有聚羧酸系减水剂拌合物的罐车，继续装运掺萘系减水剂的拌合物时，就会出现明显的坍落度损失，以至出现卸车困难的问题。所以复合使用前一定要进行两种减水剂的相容性试验。

　　5、结论

　　现今，聚羧酸类减水剂已成为世界性的研究热点，也引起了国内同行的重视。随着科技的发展，人们对生活环境的要求不断提高，对混凝土的需求及其性能的要求也在不断提高。因此，对具有高减水率和高保坍性能的高性能减水剂的需求量也会随之增大。聚羧酸系减水剂将向着高性能、多功能化、绿色化、国际标准化的方向发展，推广使用性能优异的聚羧酸系超塑化剂成为当今时代的一个必然趋势。因此，科技工作者将更加注重聚羧酸系高性能减水剂的研究和应用，更多地从混凝土的强度、工作性、耐久性、价格等方面综合考虑其开发潜能。可以预见，在不久的将来，聚羧酸系高效减水剂将会在我国得到广泛的应用，促进我国混凝土材料向高技术方向发展。