高性能减水剂的研究现状及发展趋势

(华北理工大学 河北 唐山 063000)

前言

混凝土材料的发展已经有200多年的历史了。其良好的发展得益于自身强度高、耐久性好、工艺简单、成本低、适用性强等优点，也正因为这些特点，混凝土一直是世界上主要的建筑材料。

为进一步提高混凝土的力学与耐久性能，混凝土技术也正向着高新技术方向发展。混凝土外加剂是指为改善和调节混凝土的性能而掺加的物质，在工程中的应用越来越受到重视，其中减水剂是混凝土外加剂中使用最广泛的一种，可以单独使用，也可与其他功能性组分复配，以改善新拌和混凝土性能[1]。

一、减水剂的国内外研究现状

(一)国外减水剂的发展。现代混凝土外加剂的发展从20世纪20年代开始，早期减水剂的雏形是由美国的斯克里最先发现亚硫酸盐纸浆废液能改善混凝土的流动性、提高强度和耐久性，并最早研制成功木质磺酸盐减水剂。20世纪60-70年代减水剂高速发展，日本的服部健一等成功研制了以β-萘磺酸盐甲醛缩合物为主要成分的萘系高效减水剂，联邦德国也成功研制了一种主要成分为三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂，现代混凝土外加剂的发展进入了新的阶段，同时也奠定了现代混凝土技术发展的基础。这类减水剂对水泥的分散作用很强，但混凝土坍落度较差。只有开发新型的多功能活性基团的减水剂，才能从根本上解决保坍性的问题。

1995年，日本触媒公司经过烯烃和不饱和羧酸的共聚研制开发出了掺量少、减水率更高和坍落度损失更小的聚羧酸减水剂，弥补之前减水剂的缺陷。此后欧美等发达国家也相继将减水剂的研发重点转移到聚羧酸系列上，使其性能日趋完善。

(二)国内减水剂的发展。我国对减水剂的研究和应用相对较晚，20世纪50年代苇浆尾液浓缩物、木质素磺酸钙的成功研制，标志着我国减水剂研究取得了第一次质的飞跃。1975 年，清华大学卢璋等人成功完成了萘系减水剂的合成实验和机理研究，标志着我国混凝土外加剂进入了以萘系减水剂为代表的第二代高效减水剂阶段。21 世纪我国进入了对聚羧酸系减水剂的研究阶段，还未形成生产规模。近年来我国基础建设的高速增长对混凝土外加剂的需求也每年递增，混凝土外加剂也处于高速发展阶段。

但是我国在减水剂方面的研究仍落后与某些发达国家，今后的发展趋势将是高减水率、高保坍性、高早强性和高工作性，所以我国对减水剂的研究仍有很长的路要走[2]。

二、高性能减水剂

聚羧酸减水剂是目前世界上应用范围最广、应用前景最好、综合性能最优的一种混凝土减水剂。

(一)聚羧酸减水剂分子结构特点。聚羧酸减水剂可根据混凝土的实际性能需要进行减水剂分子结构设计，其分子大多呈梳形结构，主链上带有多个极性较强的活性基团，依附在主链上有长度不一的支链，带有数量占多数的亲水性活性基团以及分子链较短、数量少的疏水基[3]。

(二)聚羧酸减水剂的作用机理

1.静电斥力。聚羧酸减水剂实际上是一种阴离子表面活性剂。在混凝土中加入减水剂，其分子可以吸附在水泥颗粒表面，组成单分子或多分子吸附膜，使水泥颗粒带负电荷，并处于相对稳定的悬浮状态，拆散水泥水化初期形成絮凝结构，释放游离水，增加混凝土的流动性。

2.空间位阻。聚合物减水剂吸附在水泥颗粒表面，在水泥颗粒表面形成一层一定厚度的聚合物分子吸附层，如果水泥颗粒相互移动并靠近，吸附层便会发生重叠，水泥颗粒之间产生斥力作用，重叠的越多，斥力也就越大，从而使水泥颗粒分散并稳定。

3.水化膜润湿作用。减水剂大分子含有大量极性基团，如聚羧酸高性能减水剂含有羧基和醚基等。这些基团具有较强亲水作用，极易与极性水分子以氢键的形式缔合，可使水泥颗粒表面上形成一层稳定的具有一定机械强度的溶剂化水化膜，该水化膜对于水泥颗粒起到了润湿作用，阻止了水泥颗粒之间的相互凝结，使水泥具有较好的流动性，在宏观上表现为新拌混凝土流动性增大[4-6]。

(三)掺聚羧酸系减水剂混凝土的性能特点

1.掺量低,减水率高。聚羧酸系高效减水剂的分散减水机理独具特色,虽然在水泥颗粒表面的吸附量较少,但由于其带有许多支链,可以产生空间位阻效应,因而掺量少时可以实现较好的塑化效果。按照固体量计算,掺量一般为0.1%～0.3%,此掺量该减水剂的减水率约与0.6% ～0.9%的萘系高效减水剂的减水率相当。

2.保塑性强,坍落度损失低。聚羧酸高效减水剂能有效控制混凝土拌合物的坍落度经时损失,而且对硬化时间影响不大。在同样原材料条件下,掺聚羧酸系高性能减水剂混凝土拌合物的流动性、流动保持性和整体状态明显好于萘系,很少存在泌水、分层、缓凝等现象。

3.低收缩。掺聚羧酸系高效减水剂混凝土的体积稳定性与萘系等第二代减水剂混凝土相比有较大提高。如果聚羧酸系高效减水剂在原材料选择与配方设计方面对此性能继续加以改善与提高,该类产品的推广应用将会显著提高混凝土的体积稳定性,大大降低结构混凝土的开裂几率。

4.一定的引气性和轻微的缓凝性。聚羧酸减水剂含有一系列亲水性基团,如羧基、醚基、羟基,因此具有一定的液-气界面活性作用和一定的引气量及轻微的缓凝性[7]。

三、减水剂的发展趋势

随着我国经济水平的提高，基础建设所需混凝土量大，要求高质量、高耐久性的大环境下,我国聚羧酸减水剂有很大的市场需求。在现有基础上，聚羧酸减水剂的研究还需努力向高性能化、功能化、绿色化发展，主要有以下几个方向：

1.分子结构设计：加强聚合物分子结构与性能的可设计性，探究分子结构、分子排列与性能之间的关系，实现可以定向开发混凝土减水剂的目标。

2.产品多样化：聚羧酸减水剂应同时实现缓凝、早强、保坍、减缩及降黏等效果，降低商品混凝土使用成本，解决问题，更好的满足市场需求，利于推动高性能混凝土的快速发展。

3.绿色环保：目前部分聚羧酸减水剂的制备过程仍然需要使用挥发性有机溶剂作为带水剂接枝聚醚侧链，该工艺流程存在温度高、加工时间长的缺点，最主要的是有机溶剂的使用难免会对生产工人和环境造成不利影响，因此聚羧酸减水剂的制备合成过程及产物应努力向无毒无害，绿色环保的方向发展。

在现有的条件下，从多方面深入的进行研究、开发出具备更优异性能的混凝土外加剂，对我国混凝土材料和技术的发展有着重要的现实意义和经济意义。