減水劑的研究現狀及發展

章俊凱（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101199）

減水劑的研究現狀及發展

章俊凱
（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101199）

簡要回顧了混凝土減水劑研制、生產和應用歷史，闡述了幾種主要類型減水劑的性能特點和應用現狀。認為開發減水率更高、性能更優異、經濟性更好的新產品是解決減水劑在實際應用中所面臨的技術難題、滿足混凝土工程對外加劑多功能化的需求主要發展方向。

混凝土；減水劑；研究現狀

1 引言

減水劑是混凝土外加劑的一種，用來改善新拌和混凝土性能。當在水泥中加入減水劑后，在不改變混合體系組成的條件下，可增加混凝土拌合物的和易性與坍落度；或在混凝土拌合物的和易性不變條件下，減少拌和用水量以提高混凝土的強度與耐久性，并降低因水泥的水合作用而引起的裂變、收縮及熱變形等現象[1]。

2 國內外研究現狀

從減水劑性能的變化方面來看，可以簡單地把減水劑的發展概括為三個階段：（一）普通減水劑的應用與發展；（二）高效減水劑、流化劑的合成與應用階段；（三）高性能減水劑的發展階段。

20世紀三十年代初到六十年代，英國、美國、日本等國家已經在公路、隧道等工程中使用了塑化劑和其它外加劑。早期使用的減水劑包括松香酸鈉、木質素磺酸鈉、硬脂酸皂等有機物，該時期的普通減水劑得到了廣泛應用和較快發展。萘磺酸甲醛縮合物是1936年由Kennedy發現的，日本在1962年由服部研制成功以萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分的高效減水劑；1964年聯邦德國研制成三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物的高效減水劑[2]。此后，從六十年代到七十年代末八十年代初，萘系、三聚氰胺系產品作為高效減水劑、流化劑在許多國家得到廣泛應用和較大發展，此階段產品的特點是減水率較高，但保持混凝土流動性的效果較差，一般通過多次添加法、后摻法、與緩凝劑復合使用法來加以解決。1985年,在日本發表了第一篇反應性高分子用于萘系的高性能AE減水劑的論文，此后保持混凝土塌落度的高性能減水劑得到日本有關部門的支持和重視。九十年代初，伴隨高性能混凝土概念提出的同時，聚羧酸系、三聚氰胺系、氨基磺酸系、改性木質素磺酸系的高性能減水劑得到迅速的開發。隨著有關降低單位用水量和改善施工性能的對策不斷完善，進一步推動了流動化混凝土施工方法的標準化，實現了預拌混凝土高減水、塌落度保持良好的目的。聚羧酸系減水劑具有很多獨特的優點，如具有高減水、低塌落度損失、低摻量、不緩凝、不受摻加時間影響等性能，某些性能還可以通過生產合成而達到，如用活性聚合方法可調整產品的分散性能和引氣性能，另外，環保問題也可以得到很好的解決。隨著高強、超高強流動性混凝土的需求量不斷增多，需要能使混凝土水膠比在0.25以下且混凝土流動性保持良好的一種高性能減水劑，而聚羧酸類外加劑因其具有超分散性的特點，且能阻止混凝土塌落度損失而不引起明顯的緩凝，從而成為代表混凝土外加劑材料最先進技術的產品，是化學外加劑研究開發的重點。

日本是研究和應用聚羧酸系減水劑最多也是最成功的國家，已從研究萘系基本上轉向研究聚羧酸系。近年來,北美和歐洲的一些研究者的論文中，也有研究開發具有優越性能的聚羧酸系的報道。目前，研究中心已從磺酸系超塑化劑改性逐漸移向對聚羧酸系的研究[3]。在我國,萘系高效減水劑應用大約有20多年歷史，由于減水率不太高，混凝土塌落度損失過快，難以滿足實際工程的施工要求，而復合產品質量不穩定，往往影響到混凝土的凝結硬化和耐久性；另外，萘系產品的原料日益缺乏，價格上漲，急需研制非萘系減水劑。而我國研究聚羧酸系減水劑尚處于起步階段[4]。

3 我國常用減水劑分類

目前，我國木質素磺酸鹽、萘系、氨基磺酸鹽、三聚氰胺、脂肪族等高效減水劑合成工藝技術穩定，萘系高效減水劑產量仍然位居各種減水劑之首。

（1）木質素磺酸鹽減水劑是最常用的普通型減水劑，價格便宜，減水率為8%～10%，既可單獨使用，也可作為復合型外加劑原料，但該類減水劑易在低水灰比拌合物中造成緩凝，常引入大量空氣而影響混凝土的性能。另外木材種類不同，加工工藝不同，也會對混凝土造成一些未知的危害性。

（2）萘系減水劑產品主要成分為萘磺酸甲醛縮合物，生產工藝簡單，是目前我國產量最大、應用面最廣的高效減水劑，其減水率一般為20%左右[5]。在合成工藝上，它是用工業萘與硫酸在160～150 ℃下磺化，經水解與甲醛進行縮合反應，用燒堿中和而成。隨著建筑業對高效減水劑的要求日益提高，低濃型的萘系高效減水劑中硫酸鈉含量的居高不下導致了外加劑中堿含量增高、混凝土的耐久性降低，眾多工程出現堿骨料反應現象，使用壽命大幅縮短。而且，近年來工業萘出現全球性短缺，價格不斷上漲，萘系減水劑的發展應用也因此受到了限制。

（3）三聚氰胺高效減水劑的主要成分為磺化三聚氰胺甲醛縮合物，它是用三聚氰胺甲醛及亞硫酸鈉在堿性介質中經羥甲基化磺化縮聚而成的一種陰離子型、早強、非引氣型高效減水劑，性能優異，對環境友好。但三聚氰胺價格昂貴，且通常只能以較低濃度的液體形式供應，致使三聚氰胺類減水劑的價格高于萘系減水劑，因而在國內一直不能大量、廣泛的使用。

（4）氨基磺酸鹽高效減水劑具有減水率高、坍落度損失小，含堿量較低的特點，有利于防止混凝土堿骨料反應，冬季使用無沉淀、結晶等特點，適用于配制高性能混凝土。該產品主要成分為氨基苯磺酸鹽苯酚甲醛縮合物，它是由對氨基苯磺酸、苯酚在弱堿性（pH值9左右）條件下與甲醛縮合而成的棕色液體減水劑。此類減水劑雖有較高的減水率，但泌水現象嚴重。

（5）脂肪族類減水劑是一種高減水、高增強的減水劑品種，具有生產工藝簡單、生產周期短、生產和使用過程中無三廢排放的優點。該產品主要成分為磺化丙酮甲醛縮合物，以丙酮與亞硫酸鈉（或焦亞硫酸鈉，加堿）、甲醛經磺化縮合而成。

（6）聚羧酸高性能減水劑是配制高性能混凝土的重要組成材料，曾在武漢的合武高速鐵路、天興洲大橋等大型重點工程建設的預拌混凝土中應用，并取得良好的應用效果。它是一種分子結構為含羧基接枝共聚物的表面活性劑，其分子呈梳形結構，主鏈上帶極性較強的多個活性基團，側鏈帶有親水活性基團，主要通過不飽和單體在引發劑作用下共聚而成。此類產品的分散能力由強靜電斥力與空間位阻共同決定，具低摻用量、高減水率、高增強效果、高保塑性及體積穩定性的特點[7]。然而，聚羧酸減水劑母體性能較為單一，品種不多，漸漸無法滿足不同領域不同性能混凝土的要求；對早強、緩凝、泵送等不同性能的需求，無法生產出相應的聚羧酸母體，這極大地制約了聚羧酸系減水劑的廣泛應用與發展。

4 展望

隨著混凝土技術不斷向高強度、高耐久性和多功能性的方向發展，減水劑作為混凝土中必不可少的組分之一，應該在以下幾個方面加強研究和應用推廣。

（2）減水劑單體的合成。明確聚合物分子結構及分子排列與性能之間的關系，實現分子結構性能的可設計性，從而開發出具有特殊功能的減水劑產品。

（3）產品的系列化。如聚羧酸減水劑應形成如下基本系列產品：標準型、緩凝型、早強型、保坍型、減縮型及降黏型等，目的是在完善這些系列合成產品后，就可以解決現場混凝土遇到的大多數問題，更好的滿足市場需求，利于推動高性能混凝土的快速發展。

（4）檢測手段的研究。尤其是對采用不同分子量的聚氧乙烯、聚氧丙烯為封端基團的選擇性與方法的檢測、對聚合大單體產品指標以及對原材料的檢測手段的研究。

（1）減水劑的應用技術問題。改善減水劑與其他外加劑的相容性，通過將適當的摻合料如粉煤灰、礦物等以單摻或復摻的方式加入到減水劑中來抑制和預防堿骨料反應，或通過其他的新穎的改性方法，使減水劑能夠廣泛的應用于工程建設中。

[1]COLLEPARDI M.Admixtures used to enhance placing characteristics of concrete[J].Cement and Concrete Composites, 1998(20): 103-112.

[2]陳建奎，混凝土外加劑的原理與應用[M].中國計劃出版社，1977.

[3]李永德，陳榮軍，孿祟智. 高性能減水劑的研究現狀與發展方向[J]. 混凝土，2002(9)：10-13.

[4]卞榮兵，聚羧酸高效減水保塌劑的研制與應用[J]. 化學建材，1999(6)：9-11.

[5]廖國勝，馬保國. 丙烯酸系減水劑在水工混凝土中的應用[J]. 混凝土，2004(9)：75-77.

[6]PENG Jia-hui，QU Jin-dong，ZHANG Jian-xin. Adsorption characteristics of water-reducing agents on gypsum surface and its effect on the rheology of gypsum plaster[J]. Cement and Concrete Research, 2005(35): 527-531.

G322

B

1007-6344（2016）04-0296-02