聚羧酸混凝土減水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

董長悅

摘要：聚羧酸減水劑因?yàn)樽陨砭邆涞膬?yōu)勢(shì)，在我國混凝土制備中得到廣泛應(yīng)用。如今聚羧酸減水劑已經(jīng)成為混凝土中的重要組成部分，因此，針對(duì)聚羧酸減水劑未來發(fā)展要給予更多關(guān)注。在未來可以將重點(diǎn)放在加強(qiáng)工藝過程優(yōu)化、加強(qiáng)系列化產(chǎn)品研發(fā)等環(huán)節(jié)中。

關(guān)鍵詞：聚羧酸;混凝土;減水劑

減水劑已經(jīng)成為混凝土中的重要成分，從減水劑中的使用中可以看出屬于重要外加劑。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，有關(guān)減水劑的研究不斷深入。木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、松香酸鈉減水劑、硬脂酸皂減水劑等出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代這一階段中，此類減水劑屬于第一代減水劑。在二十世紀(jì)六十年代，出現(xiàn)第二代減水劑，包括萘系減水劑、三聚氰胺系減水劑等，此時(shí)，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，減水劑的性能也得以優(yōu)化與完善，這也是減水劑在混凝土工程施工中廣泛應(yīng)用的重要原因。聚羧酸系減水劑在20世紀(jì)80年代被研發(fā)出來，人們將其定為第三代減水劑。聚羧酸系減水劑自身有種眾多優(yōu)勢(shì)，比如，減水率高、改善混凝土孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土坍落度的有效控制，避免引氣、緩凝等情況出現(xiàn)。

1、聚羧酸混凝土減水劑作用機(jī)理分析

對(duì)于聚羧酸混凝土減水劑的作用機(jī)理，本文主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行闡述與分析：

（1）在使用過程中，減水劑會(huì)在水泥顆粒表面吸附，形成聚合物加強(qiáng)水化膜，該水化膜具有一定厚度。聚合物加強(qiáng)水化膜的強(qiáng)度會(huì)受到不同因素影響，比如，聚合物親水能力影響、親水測(cè)量長度影響、親水基團(tuán)濃度影響等。在靠近吸附層過程中，水泥顆粒會(huì)逐漸重疊，使得不同顆粒之間發(fā)生排斥反應(yīng)，重疊多，說明排斥力較大。在水泥顆粒表面會(huì)吸附聚羧酸混凝土減水劑，盡管靜電斥力較小，因主鏈與水泥顆粒表面相互連接，支鏈在延伸后，會(huì)在液相中形成聚合物分子吸附層，空間位阻斥力也因此增大，在摻量較小情況下，那么對(duì)于水泥顆粒能夠具備較強(qiáng)分散效果。

（2）靜電斥力。聚羧酸混凝土減水劑是由不同物質(zhì)構(gòu)成，比如，磺酸基、羧基。磺酸基、羧基能夠?qū)崿F(xiàn)有效吸附與靜電斥力，促使減水劑分子能夠朝著水泥顆粒表面吸附。親水基團(tuán)因?yàn)榫哂须婋x作用，會(huì)使得水泥顆粒表面帶電性相同電荷，形成雙電層。水泥顆粒在相互靠近過程中，電層能夠?qū)崿F(xiàn)相互重疊，顆粒之間也會(huì)產(chǎn)生靜電斥力。此時(shí)，水泥顆粒絮凝結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生解體情況，顆粒具有較強(qiáng)分散性，將自由水在絮團(tuán)中釋放，使得拌合物流動(dòng)性可以得到保障。

（3）潤滑作用。在聚羧酸混凝土減水劑中包含羧基、磺酸基、氨基等基團(tuán)，極性基團(tuán)有一定親水性能，會(huì)與水分子結(jié)合形成氫鍵，從而保證水泥顆粒表面濕潤性，促使水分能夠直接滲透到孔隙當(dāng)中。水泥顆粒表面在吸附減水劑分子后，在其表面能夠形成溶劑水化膜，生成的水化膜會(huì)對(duì)破壞水泥顆粒絮凝，水泥顆粒因較為分散，從而阻礙正常絮凝。

（4）引氣隔離。聚羧酸混凝土減水劑在應(yīng)用中具有眾多優(yōu)勢(shì)，例如，降低液氣界面張力優(yōu)勢(shì)，由此也可以了解到，該種類型減水劑能夠形成良好引氣效果。在混凝土拌和中，對(duì)此類減水劑進(jìn)行合理應(yīng)用，在固液界面中能夠?qū)崿F(xiàn)吸附，拌合物中也會(huì)產(chǎn)生小氣泡。在氣泡液界面當(dāng)中，減水劑分子采用的是定向排列方式，在氣泡表面還可以生成水化膜。不僅氣泡之間會(huì)產(chǎn)生靜電斥力，氣泡與水泥顆粒之間也會(huì)產(chǎn)生靜電斥力，隔離作用會(huì)在水泥顆粒上發(fā)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥顆粒絮凝的阻止。氣泡自身具有的滾珠作用與浮托作用，更好實(shí)現(xiàn)水泥顆粒與骨料之間的相對(duì)滑動(dòng)。基于此，通過和易性，為后續(xù)工作開展提供保障。

2、合成方法分析

在聚羧酸混凝土減水劑合成中，可以采用很多不同合成方式，本文主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行闡述（如圖一）：

（1）大分子單體合成方式。大分子單體合成方式的作用原理主要是先酯化后聚合，通俗來講就是利用酯化反應(yīng)，將具有聚合活性的大分子單體制備出來，并按照相應(yīng)配比與單體之間進(jìn)行混合，可以直接使用融合聚合方式，得到相應(yīng)成品[1]。聚羧酸混凝土減水劑的合成關(guān)鍵是，能夠合成高質(zhì)量大分子單體，這一工作的落實(shí)也會(huì)對(duì)聚羧酸混凝土減水劑性能產(chǎn)生直接影響。該種合成工藝方式盡管看起來較為簡單，但在其中涉及到分離純化這一過程，不僅工作內(nèi)容較為繁瑣，而且會(huì)花費(fèi)很多成本。

（2）大分子反應(yīng)合成方式。大分子反應(yīng)合成方式的作用原理是先聚合后酯化，與大分子單體合成方式相反。也就是說將已知相對(duì)分子質(zhì)量的聚羧酸制備出來，在催化劑的影響下，使用已知相對(duì)分子質(zhì)量聚醚，在較高環(huán)境溫度下，利用酯化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚羧酸的接枝。聚羧酸產(chǎn)品規(guī)格與產(chǎn)品種類較為有限，因此，組成與相對(duì)分子質(zhì)量調(diào)整工作較為困難。聚羧酸與聚醚之間的相容性不佳，這為具體酯化操作帶來很大影響。酯化反應(yīng)的不斷推進(jìn)，會(huì)有很多水溢出，從而產(chǎn)生分離現(xiàn)象[2]。在此背景下，需要使用聚醚單醇或者聚醚二醇，使得聚羧酸相容問題得到更好解決。比如，可以使用單體苯乙烯實(shí)現(xiàn)聚合，接著針對(duì)共聚物進(jìn)行酯化、磺化，這樣可以獲得聚羧酸減水劑，該減水劑具有良好分散性能，將其應(yīng)用在混凝土制備中，可以提升混凝土保坍性能。

（3）原位聚合與接枝方式。原位聚合與接枝方式能夠?qū)崿F(xiàn)聚合、酯化之間的有機(jī)結(jié)合，就是將聚醚作為羧酸類不飽和單體的實(shí)際反應(yīng)介質(zhì)，這樣不飽和單體會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)與酯化反應(yīng)，將聚羧酸與聚醚存在的相容性不佳問題更好解決。比如，可以將丙烯酸單體、引發(fā)劑混合溶液，逐漸滴入到相對(duì)分子質(zhì)量是2000的甲氧基聚乙二醇水溶液中，在六十?dāng)z氏度的文地下反應(yīng)四十五分鐘后，要將溫度上升到一百二十?dāng)z氏度，在N2的保護(hù)之下，會(huì)將其中的水分去除，這一操作大約為五十分鐘[3]。與此同時(shí)，催化劑需要升溫，溫度升高至一百六十五攝氏度即可，在這一溫度下反應(yīng)一小時(shí)，這樣可以得到接枝成品。使用該種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的有效控制，同時(shí)合成工藝較為簡單，花費(fèi)更少成本，但往往只能先用含羧基單體，這樣才能更好實(shí)現(xiàn)接枝。

3、聚羧酸混凝土減水劑發(fā)展趨勢(shì)分析

聚羧酸混凝土減水劑擁有著屬于自身的優(yōu)勢(shì)，具體如表一所示，比如，摻量較低、保坍性較好等。因此，在混凝土制備等工作中得到廣泛關(guān)注，在未來聚羧酸混凝土減水劑的發(fā)展，本文主要從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析：

要將減水劑優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，并發(fā)揮引氣隔離滾珠作用，改善混凝土拌合物

（1）加強(qiáng)工藝過程優(yōu)化。針對(duì)現(xiàn)有聚羧酸混凝土減水劑，需要進(jìn)行性能優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)這一目的要做好工藝工程優(yōu)化工作[4]。在聚羧酸混凝土減水劑合成期間，會(huì)涉及到酯化與聚合兩部分內(nèi)容，如果在酯化期間使用價(jià)格相對(duì)較低的聚乙二醇，那么很容易出現(xiàn)交聯(lián)情況。在此背景下，需要對(duì)不同影響因素，比如，反應(yīng)溶劑影響因素、反應(yīng)物濃度影響因素、反應(yīng)溫度影響因素等進(jìn)行全面分析與研究，從而降低反應(yīng)交聯(lián)，促使工業(yè)生產(chǎn)條件可以得到滿足，節(jié)約更多生產(chǎn)成本與建設(shè)成本。

（2）加強(qiáng)系列化產(chǎn)品研發(fā)。聚羧酸混凝土減水劑想要實(shí)現(xiàn)自身更好發(fā)展與應(yīng)用，需要做好系列化產(chǎn)品研發(fā)工作，研發(fā)出具有聚羧酸混凝土減水劑性能特點(diǎn)的聚羧酸系聚合物產(chǎn)品。針對(duì)土木工程施工中的預(yù)拌混凝土，可以研發(fā)專門的聚羧酸系減水劑。可以不提升減水率，但是要保證混凝土自身可以具備良好性能，不會(huì)出現(xiàn)沁水現(xiàn)象或者離析現(xiàn)象等。特定功能聚羧酸混凝土減水劑研發(fā)，是減水劑未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。

（3）加強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)。聚羧酸混凝土減水劑往往是具有梳狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在梳型側(cè)鏈中會(huì)與陰離子、非離子之間相連，屬于混合型表面活性劑。在對(duì)單體種類、反應(yīng)條件或者比例進(jìn)行調(diào)整過程中，能夠獲得不同性能以及特性的聚羧酸混凝土減水劑。在此期間，通過聚合物分子設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)梳型聚合物主鏈鏈長、官能團(tuán)鏈長的有效控制，更好解決緩凝問題與引氣問題。

（4）加強(qiáng)復(fù)合型減水劑研究。從當(dāng)前我國市場(chǎng)發(fā)展中可以看出，包含很多不同類型減水劑，但很多減水劑由于受到結(jié)構(gòu)等因素影響，使得混凝土保坍性受到影響，例如，萘系減水劑。而聚羧酸混凝土減水劑雖然具備良好保坍性，同時(shí)與水泥之間具有良好適應(yīng)性，但因?yàn)槠鋬r(jià)格較高，使其應(yīng)用范圍受到影響[5]。基于此，在未來聚羧酸混凝土減水劑發(fā)展中，要將研發(fā)復(fù)合型高效減水劑作為重點(diǎn)，將不同類型減水劑優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土性能的優(yōu)化與完善。使得減水劑在工程施工中的應(yīng)用，具有更多選擇性，推動(dòng)各項(xiàng)施工工作的順利進(jìn)行。

結(jié)束語：

綜上所述，在混凝土制備中聚羧酸減水劑的應(yīng)用，可以完善混凝土性能，提升工程項(xiàng)目質(zhì)量。因此，為使得聚羧酸減水劑的性能可以得到進(jìn)一步深化，需要加強(qiáng)復(fù)合型減水劑研究、加強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)，使得聚羧酸減水劑可以在混凝土制備與施工中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[3]逄魯峰，陳炳江，郎慧東，常青山，黃龍劍.一種新型降黏型聚羧酸系減水劑的制備與性能研究[J].新型建筑材料，2021，48（06）：73-77.

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