高性能減水劑的研究現狀及發展趨勢

(華北理工大學 河北 唐山 063000)

前言

混凝土材料的發展已經有200多年的歷史了。其良好的發展得益于自身強度高、耐久性好、工藝簡單、成本低、適用性強等優點，也正因為這些特點，混凝土一直是世界上主要的建筑材料。

為進一步提高混凝土的力學與耐久性能，混凝土技術也正向著高新技術方向發展。混凝土外加劑是指為改善和調節混凝土的性能而摻加的物質，在工程中的應用越來越受到重視，其中減水劑是混凝土外加劑中使用最廣泛的一種，可以單獨使用，也可與其他功能性組分復配，以改善新拌和混凝土性能[1]。

一、減水劑的國內外研究現狀

(一)國外減水劑的發展。現代混凝土外加劑的發展從20世紀20年代開始，早期減水劑的雛形是由美國的斯克里最先發現亞硫酸鹽紙漿廢液能改善混凝土的流動性、提高強度和耐久性，并最早研制成功木質磺酸鹽減水劑。20世紀60-70年代減水劑高速發展，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，現代混凝土外加劑的發展進入了新的階段，同時也奠定了現代混凝土技術發展的基礎。這類減水劑對水泥的分散作用很強，但混凝土坍落度較差。只有開發新型的多功能活性基團的減水劑，才能從根本上解決保坍性的問題。

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

(二)國內減水劑的發展。我國對減水劑的研究和應用相對較晚，20世紀50年代葦漿尾液濃縮物、木質素磺酸鈣的成功研制，標志著我國減水劑研究取得了第一次質的飛躍。1975 年，清華大學盧璋等人成功完成了萘系減水劑的合成實驗和機理研究，標志著我國混凝土外加劑進入了以萘系減水劑為代表的第二代高效減水劑階段。21 世紀我國進入了對聚羧酸系減水劑的研究階段，還未形成生產規模。近年來我國基礎建設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展階段。

但是我國在減水劑方面的研究仍落后與某些發達國家，今后的發展趨勢將是高減水率、高保坍性、高早強性和高工作性，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用范圍最廣、應用前景最好、綜合性能最優的一種混凝土減水劑。

(一)聚羧酸減水劑分子結構特點。聚羧酸減水劑可根據混凝土的實際性能需要進行減水劑分子結構設計，其分子大多呈梳形結構，主鏈上帶有多個極性較強的活性基團，依附在主鏈上有長度不一的支鏈，帶有數量占多數的親水性活性基團以及分子鏈較短、數量少的疏水基[3]。

(二)聚羧酸減水劑的作用機理

1.靜電斥力。聚羧酸減水劑實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，使水泥顆粒帶負電荷，并處于相對穩定的懸浮狀態，拆散水泥水化初期形成絮凝結構，釋放游離水，增加混凝土的流動性。

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并靠近，吸附層便會發生重疊，水泥顆粒之間產生斥力作用，重疊的越多，斥力也就越大，從而使水泥顆粒分散并穩定。

3.水化膜潤濕作用。減水劑大分子含有大量極性基團，如聚羧酸高性能減水劑含有羧基和醚基等。這些基團具有較強親水作用，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定的具有一定機械強度的溶劑化水化膜，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，使水泥具有較好的流動性，在宏觀上表現為新拌混凝土流動性增大[4-6]。

(三)摻聚羧酸系減水劑混凝土的性能特點

1.摻量低,減水率高。聚羧酸系高效減水劑的分散減水機理獨具特色,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,可以產生空間位阻效應,因而摻量少時可以實現較好的塑化效果。按照固體量計算,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。

2.保塑性強,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時損失,而且對硬化時間影響不大。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性、流動保持性和整體狀態明顯好于萘系,很少存在泌水、分層、緩凝等現象。

3.低收縮。摻聚羧酸系高效減水劑混凝土的體積穩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計方面對此性能繼續加以改善與提高,該類產品的推廣應用將會顯著提高混凝土的體積穩定性,大大降低結構混凝土的開裂幾率。

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,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、減水劑的發展趨勢

隨著我國經濟水平的提高，基礎建設所需混凝土量大，要求高質量、高耐久性的大環境下,我國聚羧酸減水劑有很大的市場需求。在現有基礎上，聚羧酸減水劑的研究還需努力向高性能化、功能化、綠色化發展，主要有以下幾個方向：

1.分子結構設計：加強聚合物分子結構與性能的可設計性，探究分子結構、分子排列與性能之間的關系，實現可以定向開發混凝土減水劑的目標。

2.產品多樣化：聚羧酸減水劑應同時實現緩凝、早強、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，利于推動高性能混凝土的快速發展。

3.綠色環保：目前部分聚羧酸減水劑的制備過程仍然需要使用揮發性有機溶劑作為帶水劑接枝聚醚側鏈，該工藝流程存在溫度高、加工時間長的缺點，最主要的是有機溶劑的使用難免會對生產工人和環境造成不利影響，因此聚羧酸減水劑的制備合成過程及產物應努力向無毒無害，綠色環保的方向發展。

在現有的條件下，從多方面深入的進行研究、開發出具備更優異性能的混凝土外加劑，對我國混凝土材料和技術的發展有著重要的現實意義和經濟意義。