聚羧酸減水劑的研究進展

劉蕾+葉嘉敏

（西安文理學院）

摘要： 本文敘述了聚羧酸減水劑的基本結構，分析了聚羧酸減水劑的作用機理，并闡述了聚羧酸系高效能減水劑的優(yōu)點，簡要回顧了減水劑的發(fā)展歷史，并結合目前研究和應用中的問題及將來發(fā)展的需求，提出了今后發(fā)展的方向。

關鍵詞： 聚羧酸減水劑；分子結構；作用機理；研究現(xiàn)狀

引言

聚羧酸系減水劑簡稱為PCE。聚羧酸系減水劑是目前世界上最前沿、科技含量最高、應用前景最好、綜合性能最優(yōu)的一種混凝土超塑化劑（減水劑）。20世紀90年代起，研究得到了聚羧酸系高性能減水劑。減水劑是指在混凝土和易性及水泥用量不變的條件下，能減少拌和用水量、提高混凝土強度，或在和易性及強度不變條件下，節(jié)約水泥用量的外加劑。因具有摻量低、減水率高、坍落度損失小和分子設計性強等優(yōu)點，成為了二十一世紀混凝土減水劑發(fā)展的重要方向。[1]

1.聚羧酸減水劑的基本結構

圖1是聚羧酸減水劑的結構式，聚羧酸減水劑的分子結構成梳型，其特點是在主鏈上帶有較多的活性基團，并且極性較強，這些基團有親水性的磺酸基團（-SOH）、羧酸基團（-COOH）、羥基基團（-OH）、聚氧烷基團（-（CHCHO））、酰胺基團等。

2.作用機理

疏水性的減水劑分子主鏈吸附于水泥顆粒表面，能夠隔離水泥和水，主鏈上連接的聚氧化乙烯基長側鏈和—COOH、—SOH、—NH等短側鏈伸向水溶液之中。短側鏈的基團能吸附于水泥顆粒表面，增強與水泥顆粒表面的吸附，使吸附更加牢固，同時，還有部分伸向水溶液中，形成了密集的絨化層，這種絨化層結構能夠有效地阻止水分子的滲透，增加電荷密度，提高靜電斥力。[2]

3.研究進展

3.1發(fā)展過程

根據(jù)減水劑的發(fā)展進程，可將減水劑的發(fā)展分為以下三個階段：

（1）以木鈣為代表的第一代普通減水劑，20世紀30年代，美國日本等發(fā)達國家開始使用木質素磺酸鈉等第一代減水劑，當時建筑等行業(yè)水泥需求量的迅猛增加，推動了減水劑的較快發(fā)展。普通減水劑的減水率低，有一定的緩凝和引氣作用，主要用于配置低強度等級的混凝土。

（2）以萘系和三聚氰胺為代表的第二代高效減水劑。20世紀60年代，普通減水劑逐漸向高效高性能方向發(fā)展，磺化、縮合等反應過程是這一階段產品的主要特征。萘系高效減水劑減水率高、不引氣、不緩凝、增強效果好，但混凝土坍落度損失大，超摻對混凝土性能影響不大。

（3）以聚羧酸鹽為代表的第三代高性能減水劑。20世紀90年代初，隨著“高性能混凝土（HPC）”概念的正式提出，聚羧酸減水劑迅速得到重視并發(fā)展起來，其高減水率使得混凝土拌合過程水的用量得以大幅度減少，同時改善了新拌混凝土的和易性和分散穩(wěn)定性。其具有摻量低、減水率高、流動性保持好，增強效果明顯等優(yōu)勢。[3]

3.2發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1發(fā)展優(yōu)勢

聚羧酸高效減水劑是配置高性能高流動性混凝土、大摻量粉煤灰混凝土最重要的組成材料.日本早在1981年就研制成功了聚羧酸系減水劑。[4]在我國，聚羧酸減水劑在混凝土生產及工程建設行業(yè)的應用已越發(fā)廣泛而成熟[5]，如已成功應用在三峽大壩、蘇通大橋、田灣核電站、京滬高鐵等國家大型水利、橋梁、核電、鐵路工程，并取得了顯著的成果。它有如下優(yōu)點：1、減水率高（最高減水率可達35%以上）、體積穩(wěn)定、保塌性好（90min內坍落度基本不損失）；2、與水泥及其它種類的混凝土外加劑相容性很好，與傳統(tǒng)高效減水劑如萘系減水劑復配可產生良好的疊加效應；3、在相同流動性情況下，對水泥凝結時間影響小，可很好的解決減水、引氣。緩解、泌水等問題；4、合成高分子主鏈的原料來源較廣； 5、使用聚羧酸高效減水劑，可用更多的礦渣或煤粉灰取代水泥，降低成本，并且對環(huán)境無污染，無毒害。綜上，聚羧酸減水劑對混凝土技術發(fā)展具有重要的推動作用，其應用前景將會越來越廣闊。

3.2.2發(fā)展的局限性

目前聚羧酸減水劑已在世界范圍內推廣開來，在發(fā)展的過程中總結了寶貴經驗，同時也發(fā)現(xiàn)了一些問題：高溫環(huán)境下保坍性不足；溫度敏感性強，同時聚羧酸減水劑在不同季節(jié)施工，混凝土保坍性相差甚遠；在高摻合材、低水膠比混凝土配制中，混凝土粘度高，不利于施工；功能性產品較少，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(fā)展；減水劑大多數(shù)在水體系中合成，難以了解不同單體間復雜的相互作用；在使用高性能減水劑的混凝土中，當單位水量減少，塌落度增大時，常常發(fā)生減水劑用量過大、混凝土粘性太大、出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象等問題。

3.3發(fā)展前景

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(fā)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。

3.3.1.高性能化

為滿足高性能混凝土發(fā)展的需求，聚羧酸減水劑應繼續(xù)向低粘度、高分散、高保坍等高性能化方向發(fā)展。提高減水劑的適應性。

3.3.2.生態(tài)化

目前一部分聚羧酸減水劑的合成工藝一般是采用自由基聚合，合成過程中需要加熱，不僅耗能，還會帶來環(huán)境污染問題[6]，不利于可持續(xù)發(fā)展。因此目前聚羧酸系減水劑的制備合成過程及產物正在向無毒、無污染、節(jié)能等方向努力，達到綠色環(huán)保化。

3.3.3功能化

隨著預制混凝土、大體積混凝土、鋼筋混凝土的應用及不斷涌現(xiàn)的問題，在對聚羧酸構效關系和作用機理的深入認識的基礎上，設計和合成具有特殊功能的分子結構，使其具有超早強、減縮抗裂和阻銹等多種功能，有利于進一步推動混凝土的技術進步和可持續(xù)發(fā)展。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(xiàn)場混凝土遇到的大多數(shù)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(fā)展[7]。明確聚合物分子結構及分子排列與性能之間的關系，實現(xiàn)分子結構性能的可設計性，從而開發(fā)出具有特殊功能的減水劑產品。

結論

聚羧酸系高效能減水劑由于其優(yōu)良的性能和綠色環(huán)保特性，代表了混凝土外加劑的今后的發(fā)展方向。聚羧酸系高效能減水劑具有減水率高、保塌性好等優(yōu)點，對混凝土技術發(fā)展具有重要的推動作用，因此有必要加快開發(fā)推廣高性能、多功能化，生態(tài)化的高性能聚羧酸系減水劑。其應用前景將會越來越廣闊。

參考文獻：

[1]蔡葦，聚羧酸高性能減水劑的制備及性能研究，中北大學2013-4-19

[2]明孝生，聚羧酸減水劑研究進展，化工管理 2016-5-11

[3]汪梁，早強型聚羧酸減水劑的研究，新型建筑材料，2016-01-25

[4]楊鑫，秦士洪，聚羧酸系減水劑減水率的影響因素試驗研究2016-02-28

[5]李英祥，陳周鵬，蔡文榮，淺探某些工藝因素對聚羧酸減水劑性能的影響，商品混凝土2016-02-15

[6]章俊凱，減水劑的研究現(xiàn)狀及發(fā)展，四川水泥2016-04-15

[7]李順凱，王文榮，高玉軍，韋鵬亮，聚羧酸減水劑常溫制備工藝及性能研究2016-03-25