聚羧酸高性能減水劑的研究現狀與發展趨勢

陳鐵海

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，蘭州730000）

1 引言

近年來，我國混凝土外加劑的研究與生產已朝著高性能、無污染方向發展[1]。目前，我國建筑行業使用的混凝土減水劑有木質素磺酸鈉減水劑、萘系高效減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、脂肪族減水劑、聚羧酸高性能減水劑等。其中，聚羧酸減水劑因為生產工藝流程環保，全程無污染物排放，而且產品減水率高、摻量少、坍落度保持好等優異性能，成為工程建設領域中使用率最高的減水劑品種。

2 聚羧酸系減水劑的起源

日本觸媒公司于1981 年開始研制聚羧酸高性能減水劑，并取得了很大的進步[2]，在20 世紀80 年代后期就已經將產品投入了市場，且獲得工程領域不錯反響。美國聚羧酸減水劑的發展晚于日本，目前正從萘系減水劑、脂肪族減水劑向聚羧酸高性能減水劑發展和過渡。

國內對聚羧酸減水劑的研究起步較晚，從20 世紀90 年代末期，江蘇建科院、上海建科院等單位開始進行聚羧酸減水劑的相關研究工作。但是受當時科學技術水平、原材料、產品價格等種種因素的限制，市場使用率十分低。2011 開始，全國各地陸續接受聚羧酸減水劑，并在中等強度和低強度混凝土中大量應用，目前，聚羧酸高性能減水劑在產量、應用范圍上已經逐步接近甚至超過了萘系高效減水劑，成為名副其實的行業主流減水劑[3]。

3 聚羧酸減水劑的合成工藝

從目前國內外發表的研究論文和研究成果來看，聚羧酸高性能減水劑的生產合成工藝主要分為2 大類，一類是聚酯型合成工藝，一類是聚醚性合成工藝。

3.1 聚酯型減水劑

聚酯型減水劑的原材料主要為大分子酯類（MPEG），不飽和酸類，如聚氧乙烯類大單體、馬來酸酐等。聚酯合成工藝主要分為2 大步：（1）制備活性中間體，在102℃反應溫度下，聚氧乙烯類大單體和馬來酸酐在烯丙基磺酸鹽類的引發作用下，生成不穩定的活性中間體；（2）馬上將活性中間體轉移至新的反應釜中，將提供側鏈的丙烯酸酯滴加到活性應中間體體系中，經約4h 的聚合反應，最后滴加液堿調節體系pH 至弱酸性，以保持產品的穩定。

聚酯型聚羧酸減水劑生產流程長，而且中間體性質過于活潑，體系穩定性難以保證，很容易在第二步嫁接側鏈反應時發生暴聚，出現報廢產品。假如反應正常終止，成品的減水性能和保坍性能均很一般。鑒于上述原因，聚酯型減水劑生產工藝目前已經被市場逐步淘汰。

3.2 聚醚性減水劑

聚醚性減水劑的主要原材料為大分子醚類（HPEG 或者TPEG），例如，聚乙二醇單甲基醚，在約65℃的反應溫度下，向體系滴加提供側鏈的丙烯酸，同時在反應初期滴加連引發劑，根據性能要求，在反應中或者反應行將結束前滴加阻聚劑，最后加入液堿調節體系pH 至弱酸性（pH≈6.5），以保證體系穩定，產品可以長時間存放（3～6 個月）。

隨著聚羧酸減水劑上游單體技術進步，以及新型引發劑和調節劑的出現，目前聚醚反應體系可以做到常溫反應（25～35℃），即在常溫情況下（無須蒸汽加熱或者電加熱套加熱），將大單體溶于反應釜中，直接滴加不飽和酸、引發劑、調節劑，開動反應釜攪拌裝置即可，反應時間約為3.5h，大大縮短了反應時間，提高了生產效率，而且產品性能完全滿足要求。

4 聚羧酸高性能減水劑的發展現狀

聚羧酸高性能減水劑的應用和發展使得減水劑生產廠家和減水劑使用廠家積累了大量的工程實際經驗，與此同時也遇到了各種各樣的問題。比如，生產廠家為了追求利潤，采用性能一般的大單體原材料，生產出的聚羧酸減水劑產品性能單一；如單一地考慮減水率的效果，而輕視了保坍性能；或者單一地考慮保坍性能，而輕視了減水率。針對以上問題，今后聚羧酸減水劑的發展需要予以綜合考慮。

1）從上游加強聚羧酸減水劑大單體的研究工作，對于聚羧酸高性能減水劑生產商來說，可以豐富大單體原材料的品種，如減水型大單體、綜合性大單體等。根據客戶不同的產品性能需求，可以生產出減水型產品、保坍型產品以及2 種性能兼而有之的綜合產品。

2）改進聚羧酸減水劑的合成工藝，充分發揮聚羧酸減水劑分子鏈可以設計的優勢，優化聚羧酸減水劑的產品性能，使聚羧酸減水劑既具有良好的減水率，又具有良好的保坍性。

3）細化聚羧酸減水劑產品類型，可以考慮生產出高減水率產品和高保坍性產品，根據實際工況，例如，現場使用的水泥品種、粉煤灰種類、砂石料含泥量等，將2 種類型的產品進行復合使用。

4）關注聚羧酸減水劑復配工作的研究，根據實際工況，如氣溫、凝結時間等不同的要求，進行輔料（俗稱小料）與聚羧酸減水劑產品的復配工作。如葡萄糖酸鈉、蔗糖、羥甲基纖維素醚、十二烷基苯磺酸鈉等。

5 聚羧酸類減水劑的應用

5.1 行業應用的促進

聚羧酸高性能減水劑最初大規模應用是在鐵路建設行業，后來在公路行業和水利建設行業也取得了長足的發展。總結來說，上述幾大行業的業主單位（投資主體）均為國字號單位如鐵道部和后來的鐵路總公司；各個省的交通廳等；相應的施工單位也均為行業內的國字號單位，如中國鐵建、中國建筑等。業主和施工單位的目標一致，就是要做好工程質量，甚至各個行業還各自制定了行業標準，如入圍鐵路行業，需要聚羧酸減水劑生產單位進行行業認證，即著名的CRCC 認證體系。

5.2 民用市場的發展

得益于聚羧酸高性能減水劑在行業工程中的好口碑，也由于聚羧酸減水劑自身性價比的提高，房地產行業引來了黃金十年的發展期，國家出臺政策禁止現場拌和混凝土，各地民商品混凝土攪拌站如雨后春筍般出現了。很快，聚羧酸減水劑的產量和使用范圍均達到甚至超過了萘系高效減水劑，坐穩了混凝土減水劑的頭把交椅。

6 結語

聚羧酸高性能減水劑由于其優良的性能和綠色環保的特性，是混凝土減水劑以后的發展方向。預計聚羧酸高性能減水劑行業會穩中有進，產量和應用水平也會繼續維持在較高的水平。在創新理念的驅動下，繼續優化聚羧酸減水劑分子結構，從科技進步中，節約生產成本，提高產品性能，是聚羧酸減水劑發展的根本所在。