聚羧酸减水剂在混凝土中的应用

【摘 要】作为第三代新型高效减水剂的聚羧酸系减水剂，由于具有较多独特的性质而具有更大的应用前景和发展前途。本文从聚羧酸系减水剂的性能特点和国内外研究进展及应用概况进行了概述，并针对目前国内大型工程中聚羧酸系高性能减水剂的应用过程中存在的问题进行了分析。

【关键词】聚羧酸；高性能减水剂；混凝土；外加剂

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

混凝土减水剂是配制混凝土的重要组分。其品种较多，为改善混凝土的技术性质起了关键作用。聚羧酸系减水剂作为继萘系、密胺系、脂肪族系和氨基磺酸盐系减水剂之后研制生产成功的新型高效减水剂， 是高性能混凝土中的一种重要组成部分， 除具有高的减水效果外，还能有效控制混凝土的塌落度损失，能较大限度地满足混凝土耐久性的要求；同时其还具有低掺量、与水泥和掺合料适应性相对较好、对混凝土干缩性影响较小、不含甲醛、绿色环保等突出特点。这些都是一般高效减水剂所无法比拟的。

1聚羧酸高效减水剂性能特点

减水剂用于混凝土中主要起三种不同的作用，一是改善混凝土施工工作性；二是减小水灰比，提高混凝土的强度和耐久性；三是节约水泥，减少混凝土初始缺陷。60年代以来发展起来的是萘系、密胺系高效减水剂，它们赋予新拌混凝土较好的流动性和强度，对于现场搅拌，基本上能满足需要，但用于商品混凝土中，普遍存在着坍落度损失过大的问题。多年来，科研和生产部门采用把减水剂与缓凝剂的复合物掺入混凝土以使坍落度损失有所减缓，但仍未根本上解决问题。聚羧酸系减水剂的问世，使高流动、低坍落度损失混凝土的制备得以实现。近年来，通过“分子设计”合成聚羧酸系高性能减水剂并探讨其结构与性能之间关系的研究非常活跃。聚羧酸系物质由于其分子结构特性具有很多优点，低掺量发挥高效塑化效果、坍落度保持性好、水泥适应性广、减水效率高、分子构造上自由度大、合成技术多，因而高性能化的余地很大。

在结构特征上，聚羧酸系减水剂完全不同于传统的萘磺酸甲醛缩合物或磺化三聚氰胺甲醛缩合物类高效减水剂，其亲水性的官能团主要为羧基，而憎水性的聚合物主链则主要是脂肪族结构单元，在线形主链上还带有许多一定长度的侧链，形成所谓的梳形结构。它的分散和分散保持性能与化合物的结构有密切关系，良好的结构特征可以使其在混凝土中作为减水剂使用时，在用量很小的情况下就会对水泥颗粒产生很强的分散作用，而且这种分散作用还不会随着时间的延长而明显降低，即表现出较好的坍落度保持性能。研究发现，对于聚羧酸系高效减水剂的减水机理，主要表现在以下几个方面：(1)缓凝作用；(2)在水泥颗粒上吸附，极性亲水端朝向溶液，多以氢键与水分子缔合，再加上水分子之间的氢键缔合，构成了水泥微粒表面的一层水膜，阻止水泥颗粒的直接接触，起到了作用；(3)更为重要的是聚羧酸系减水剂分子在水泥颗粒表面的立体吸附层结构，聚羧酸系减水剂大分子在水泥颗粒表面的吸附状态呈环状、引线状和齿轮状吸附(多数呈现齿型)，使水泥粒子间的静电斥力呈立体的交错纵横式，立体的静电斥力随时间增长变化小，宏观表现为分散性更好，坍落度经时损失小；(4)聚羧酸系接枝共聚物电位绝对值比萘系(NS)和三聚氰胺系(Ms)减水剂的低，即掺量相同时，接枝共聚物对水泥粒子的分散效果更好。

2 聚羧酸系高性能减水剂的工程应用

聚羧酸系高性能减水剂于20 世纪80年代中期由日本开发，l985 年开始应用于混凝土工程，90年代在混凝土工程中大量使用。l998年底日本聚羧酸系产品已占所有高性能减水剂产品总数的60%以上，近年来其用量更是占到高性能减水剂的90%。北美和欧洲各国近几年在聚羧酸系高效减水剂产品方面也推出了一系列产品，如Grance公司的Adva 系列，MBT 公司的pheom ix700FC牌号、Rheobu iId3000FC超早强减水剂，Sika公司的Viscocrete30l0 等。目前日本生产的聚羧酸系减水剂的厂家主要有花王、竹木油脂、NMB 株式会社、藤泽药品等，每年利用此类减水剂用于各类混凝土生产量约在l000 万立方米左右，并有逐年递增的发展趋势。

杭州湾跨海大桥工程是典型的亚热带季风气候、气候温和、湿润有余，特别是海水中含有的盐会对钢筋混凝土结构的严重腐蚀，必须采取有效防腐措施，提高各种原材料的混凝土性能，以确保杭州湾跨海大桥结构l00年的使用寿命。经工程要达到高性能混凝土要求，根据国内外资料，是通过采用优质高性能减水剂和掺入活性掺合料来降低水胶比的办法获取的。因为当水胶比较小时，一部分水泥不能发生水化反应，只能起填充作用，从而有效地减小混凝土的空隙率。改善孔结构，提高混凝土的密实度，提高混凝土的电导率，降低了氯离子扩散系数。此时，美国格雷斯公司生产的ADVA 系列聚羧酸系高性能减水剂的优异性能确保了杭州湾跨海大桥使用的混凝土良好的材料性能和施工性。

3聚羧酸系减水剂在水泥混凝土工程实际应用中出现的问题

3.1所配制的混凝土拌合物的性能对用水量十分敏感

大多数采用聚羧酸系减水剂制备的混凝土拌合物，用水量大小变化对其性状影响十分显著。在实际工程中，有时用水量只增加(1~3)kg/m3，混凝土拌合物便发生严重泌水，采用这种拌合物易导致结构物表面出现麻面、起砂、孔洞等难以接受的缺陷，根本无法保证浇筑体的均匀性，并使结构体强度和耐久性严重下降。

3.2原材料及配合比对聚羧酸系减水剂减水效果的影响

混凝土中水泥用量的大小对聚羧酸系减水剂的减水效果影响很大。曾经采用相同的掺量对同一种减水剂进行试验，当基准混凝土水泥用量分别为330kg/m3、360kg/m3、390kg/m3和420kg/m3时，测得的“减水率”分别为21％、24％、28％和35％。

混凝土中集料的颗粒级配以及砂率，对聚羧酸系减水剂的塑化效果影响也非常大。与萘系等其它高效减水剂相比，聚羧酸系减水剂的塑化效果受细集料含泥量影响很大。

3.3所配制的大流动性混凝土容易分层离析

大部分情况下，在大流动性混凝土中掺加聚羧酸系减水剂时，浆体的粘度将急剧减小。此时，即使减水剂掺量、用水量控制都是最佳的，混凝土拌合物也不泌水，但却非常容易出现分层、离析现象，具体的表现是粗集料全部下沉，而砂浆或净浆位于集料的上部。采用这种混凝土拌合物进行浇筑，即使不振动，分层、离析也明显存在。

4 展望

尽管我国聚羧酸系减水剂发展起步较晚，但其在国内重特大工程中的应用正逐渐增多。国外不少大的化学建材公司，如德固赛集团、格雷斯建材公司、马贝集团、西卡公司、富斯乐公司和花王公司等，纷纷将自己生产的聚羧酸系减水剂产品通过进口方式引进中国市场，对推动聚羧酸系减水剂在工程中的应用起到了非常重要的作用。目前由于这些公司由于产品价格较贵，每吨5000~7000 元，增加了工程成本，因此，在我国未能得到广泛应用。从分子设计的角度，从高性能减水剂的合成结构与性能的关系、作用机理等方面进行深入系统的研究，开发出价格较低、具有更高减水能力、更高保坍性能的聚羧酸系高性能减水剂，以满足配制高性能混凝土的需要，替代进口产品，尽快抢占国内市场，无疑对我国的经济和社会发展都有重要的现实意义和经济意义。

【参考文献】

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