聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性分析

吳英哲 簡振威 孫申美

（廣州市建筑科學研究院有限公司）

聚羧酸減水劑具有減水率高、保坍能力強和性能可調(diào)整等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應用于高鐵、地鐵、橋梁、核電和水電等重大工程，成為預拌混凝土首選的混凝土外加劑。工程實踐表明，聚羧酸減水劑有力地保證預拌混凝土的工作性，提高硬化混凝土的力學性能，改善混凝土的耐久性，為混凝土的品質(zhì)提供重要技術支撐。但在聚羧酸減水劑的使用時，混凝土技術人員發(fā)現(xiàn)聚羧酸減水劑的性能極易受到混凝土其它原材料的影響。研究表明，聚羧酸減水劑的分散能力受制于水泥、粉煤灰和砂石等原材料的品質(zhì)波動，其摻量隨之變化較大，表現(xiàn)了較高的敏感性[1]。在聚羧酸減水劑敏感性的研究中，研究人員對聚羧酸減水劑與砂石含泥量的敏感性進行了廣泛和深入研究[2-5]，但較少關注聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性。在混凝土的實際生產(chǎn)中，用水量的調(diào)整是控制混凝土拌合物工作性的重要方式，如何降低聚羧酸減水劑對用水量的敏感性更具有現(xiàn)實指導意義。本文通過分析聚羧酸減水劑與混凝土用水量的關系，明確聚羧酸減水劑對混凝土用水量敏感性的原因，總結改善聚羧酸減水劑對用水量敏感性的研究措施，提出降低聚羧酸減水劑敏感性的研究方案，為聚羧酸減水劑的性能優(yōu)化提供理論指導，以推動聚羧酸減水劑在預拌混凝土更廣泛的應用。

1 聚羧酸減水劑與混凝土用水量的關系

聚羧酸減水劑是具有梳形分子結構的接枝共聚物，主鏈為含有羧基官能團的烷基碳鏈，側(cè)鏈為不同長度的聚氧乙烯（和/或聚氧丙烯）結構單元。聚羧酸減水劑主鏈中的羧基基團通過靜電吸引力與水泥顆粒吸附，側(cè)鏈中不同長度的聚氧乙烯單元通過空間位阻效應阻止其它水泥顆粒靠近，實現(xiàn)其對水泥的分散作用。與萘系減水劑相比，聚羧酸減水劑對水泥的分散能力更強，展現(xiàn)了更高的混凝土減水率，其減水率高達40%以上，可以顯著減少混凝土拌合水的用量。混凝土的用水量可以決定水膠比（水灰比），水膠比（水灰比）直接影響混凝土的力學性能。水灰比法則認為，混凝土的28d 抗壓強度和水灰比的倒數(shù)成正比。為保證混凝土的抗壓強度，生產(chǎn)技術人員通常采用較小的水膠比。為提高混凝土的經(jīng)濟性，減小混凝土用水量是降低混凝土水膠比最有效的方式。混凝土拌合水的減少將影響新拌混凝土的工作性，而聚羧酸減水劑對水泥較強的分散能力可以更有效保證混凝土拌合物的工作性，進而實現(xiàn)聚羧酸減水劑和混凝土用水量的有機統(tǒng)一。

混凝土用水量的變化不僅決定混凝土水膠比，而且影響混凝土的漿骨比。廉慧珍指出[6]，與水膠比一樣，漿骨比也是混凝土配合比設計必須考慮的重要因素。漿骨比是混凝土拌合物濃度，是拌合水和膠凝材料總量與骨料總量體積的比例，漿骨比的變化影響混凝土的工作性和體積穩(wěn)定性。與膠凝材料的密度相比（水泥：約為3.0g/cm3； 粉 煤 灰：1.9 ～2.4g/cm3； 礦 粉： 約 為2.6g/cm3），水的密度（1.0g/cm3）小很多，在相同質(zhì)量的情況下，用水量的變化對拌合物漿體體積總量影響最大。在保持膠材總量不變的情況下，用水量的減小必將導致拌合物漿體的體積減少，影響新拌混凝土的工作性。因此，在通過減少混凝土用水量以降低水膠比時，應同時調(diào)整膠材總量以保證混凝土的漿骨比不變。但混凝土生產(chǎn)人員經(jīng)常忽略用水量變化對漿骨比的影響，導致拌合物漿體的體積隨用水量的變化而大幅度變化，從表1 可以看到，用水量減少時，(W/B)2和(W/B)3中漿體數(shù)量均減小，這將影響混凝土的工作性。為確保混凝土的工作性，混凝土生產(chǎn)人員對聚羧酸減水劑提出了更高的技術要求，聚羧酸減水劑不僅具有較強的水泥分散能力，而且還需具有對混凝土拌合物良好的保塑能力，致使混凝土工作性對聚羧酸減水劑的性能產(chǎn)生強烈的依賴。但這種依賴性極易導致聚羧酸減水劑在應用時表現(xiàn)敏感性，尤其對混凝土用水量。當混凝土用水量適當增加時，拌合水不僅不能改善混凝土拌合物的工作性，反而導致混凝土拌合物出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，削弱混凝土拌合物的工作性；另一方面，當混凝土用水量減少時，聚羧酸減水劑的摻量增加也難以改善混凝土拌合物的工作性，甚至劣化混凝土的工作性，出現(xiàn)混凝土拌合物泌水、離析和板結等現(xiàn)象。混凝土配合比不合理，尤其是漿骨比偏低，導致聚羧酸減水劑對混凝土用水量的變化產(chǎn)生敏感，這種敏感性在其它混凝土原材料品質(zhì)波動時表現(xiàn)更突出，尤其在砂的細度模數(shù)及含泥量變化時。聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感，使聚羧酸減水劑的摻量與混凝土用水量的關系從“相得益彰”變成了“難以相容”，導致通過用水量調(diào)整混凝土工作性的方法在預拌混凝土實際生產(chǎn)中變得越來越困難，將制約聚羧酸減水劑的廣泛應用。

表1 水膠比變化對漿體數(shù)量的影響[6]

2 聚羧酸減水劑敏感性的優(yōu)化

聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性多是由混凝土配合比的不合理造成，因此在設計混凝土配合比時，考慮漿骨比因素，采用等漿體體積法進行調(diào)整，可以有效避免聚羧酸減水劑對混凝土用水量變化的敏感。但在預拌混凝土的實際生產(chǎn)中，通常要求從聚羧酸減水劑的角度削弱聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性。為適應混凝土的生產(chǎn)現(xiàn)狀，研究人員在評價聚羧酸減水劑與混凝土用水量敏感性方法以及降低聚羧酸減水劑敏感性的措施方面進行了深入的研究。

賴華珍等人提出了聚羧酸減水劑對摻量敏感的評價方法[7]，通過保持混凝土配合比不變，調(diào)整外加劑摻量，測量混凝土擴展度的變化。該方法規(guī)定混凝土擴展度在（400±10）mm 時的摻量為起點摻量A0，混凝土初始擴展度在（550±10）mm 時的摻量為終點摻量A1，以外加劑的終點摻量A1與起點摻量A0的比值γ（來表征外加劑對摻量的敏感性，γ 值越大，表示該聚羧酸減水劑對摻量的敏感性越低。同時，黃忠提出了一種評價聚羧酸減水劑對混凝土用水量敏感性的方法[8]，其基本思路是：首先，確定基準外加劑摻量，此時混凝土的擴展度控制在（400±10）mm；然后，固定外加劑摻量，將單位用水量增加15 公斤。計算出兩個用水量下混凝土擴展度的差值，差值越小表示聚羧酸減水劑對用水量越不敏感。這兩種方法可以定量評價聚羧酸減水劑與混凝土用水量的敏感性，但在基準混凝土的確定方面，混凝土擴展度控制值偏小。在實際的混凝土試配及生產(chǎn)控制中，混凝土的初始擴展度一般要求大于480mm。同時，混凝土用水量增加15 公斤將影響混凝土的抗壓強度，考察10公斤拌合水的影響將更有意義。

因此，將基準混凝土的擴展度控制在（480±10）mm，固定用水量，增加外加劑摻量，觀察混凝土拌合物的狀態(tài)，當出現(xiàn)泌水、板結等過摻現(xiàn)象時確定為外加劑的終點摻量，通過終點摻量與基準摻量差值的大小分析外加劑摻量的敏感性；固定外加劑摻量，增加用水量10 公斤，觀察混凝土拌合物的狀態(tài)，是否出現(xiàn)泌水等現(xiàn)象，當出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，則判定外加劑非常敏感，當拌合物狀態(tài)正常時，測量擴展度，通過其與初始擴展度差值定量評判外加劑對混凝土用水量的敏感性。

為削弱聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性，聚羧酸減水劑與其它功能材料的復配是研究最廣泛的技術方案。如徐健等人研制了泌水抑制劑[9]，該泌水抑制劑與聚羧酸減水劑具有良好的相容性，在摻量為0.01%時可以降低聚羧酸減水劑對混凝土用水量的的敏感性，有效克服混凝土拌合物泌水的問題；季春偉等人合成了一種聚羧酸減水劑專用和易性調(diào)節(jié)劑[10]，此和易性調(diào)節(jié)劑是一種高分子聚合物，具有良好的保水能力，并與聚羧酸減水劑相容，可以減少聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感度，并在自密實混凝土取得了應用。蔣長清等人研制聚羧酸減水劑專用抗離析劑[11]，通過其與聚羧酸減水劑的復配，可以改善聚羧酸減水劑的敏感性，解決混凝土泌水和板結等問題。

復配方式可以在一定程度上解決聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性，但存在復配材料與混凝土原材料的適應性，極易造成缺乏普適性，不能從根本上解決聚羧酸減水劑對混凝土用水量敏感性的難題。

聚羧酸減水劑最顯著的技術特征是其分子結構可以通過性能的要求進行設計。王燦輝對聚羧酸減水劑分子結構進行優(yōu)化，在分子結構中引入丙烯酸鈉（見圖1），合成了一種具有低敏感性的保坍型聚羧酸減水劑[12]，通過水泥凈漿和混凝土試驗，該聚羧酸減水劑可以拓寬其有效摻量范圍，降低聚羧酸減水劑摻量敏感性。該聚羧酸減水劑的初始分散能力較小，仍需與具有高分散能力的聚羧酸減水劑共同使用才能滿足混凝土的技術要求，如果具有高分散能力的聚羧酸減水劑對混凝土用水量敏感，將增加保坍型聚羧酸減水劑的敏感性。

圖1 低敏感型聚羧酸保坍劑的分子結構圖[12]

通過聚羧酸減水劑分子結構的優(yōu)化，可以有效降低聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感度，但這方面的研究比較少，仍需要更多的工作研發(fā)功能單體，對聚羧酸減水劑的低敏感性進行優(yōu)化。兩性聚羧酸減水劑是一種分子結構中既含有陰離子（如羧酸基團）既含有陽離子（如銨基）的共聚物（如圖2[13]），其陰離子和陽離子基團可以通過靜電吸引分別與混凝土拌合物中的帶有正電荷和負電荷的粒子相互作用，進而促進聚羧酸減水劑的吸附分散作用。兩性聚羧酸減水劑可以適應混凝土懸濁液中離子濃度的變化，具有較高的適應性，在降低聚羧酸減水劑對混凝土用水量的敏感性方面將有很大的應用前景。

圖2 兩性聚羧酸減水劑的分子結構圖[13]

3 結論

本文通過對聚羧酸減水劑與混凝土用水量關系的分析，提出了聚羧酸減水劑與混凝土用水量敏感性的評價方法，并分析了各種降低聚羧酸減水劑敏感性措施的優(yōu)劣，最終提出了降低聚羧酸減水劑對混凝土用水量敏感度的研究方向。●