第三代混凝土減水劑———聚羧酸系高性能減水劑的研究

　　近幾十年來，水泥混凝土生產與施工技術的發(fā)展很大程度上取決于減水劑生產與應用技術的發(fā)展水平。高效減水劑的發(fā)展雖然只有60年～70年的歷史，但已經成為混凝土材料向高科技領域發(fā)展的關鍵技術。近幾年發(fā)展起來的聚羧酸系高性能減水劑被國內外公認為是第三代減水劑，這種高性能減水劑無論從生產過程、原材料，還是其性能、分子結構都與第二代減水劑具有本質上的不同。聚羧酸系高性能減水劑是今后混凝土外加劑技術發(fā)展的方向，其廣泛地應用會對混凝土及其制品生產和質量產生重要的影響。

　　聚羧酸系高性能減水劑的性能特點

　　聚羧酸系高性能減水劑是性能上更加優(yōu)異的新型減水劑，具有萘磺酸鹽甲醛縮合物和磺化三聚氰胺甲醛樹脂高效減水劑所不可比擬的優(yōu)點：低摻量與高性能———摻量為膠凝材料用量的0.2%~0.3%時，減水率可高達25%~35%；流動性保持能力優(yōu)異———水泥凈漿流動度可以在2小時內基本無損失，3~4小時仍具有流動性；適應性好———對各種水泥和混合材料的適應性優(yōu)于傳統(tǒng)的減水劑；生產過程無污染———合成過程中不使用甲醛等對環(huán)境有污染的材料；性能的可設計性強———可實現(xiàn)對聚羧酸系高性能減水劑的分子結構與性能的設計；原材料選擇范圍廣———可選擇不同種類的共聚單體，提高生產管理的靈活性；形成系列化產品———根據性能特點和使用性能要求，形成系列化具有不同性能特點的產品；提高混凝土制品和構件的質量———由于聚羧酸系高性能減水劑含堿量低，收縮小，可綜合改善混凝土制品的外觀、力學性能和耐久性；綠色環(huán)?！褂镁埕人犷悳p水劑，可用更多的礦渣或粉煤灰取代水泥，從而能使成本降低。
　　聚羧酸系高性能減水劑優(yōu)異的性能是由其特殊的分子結構決定的：聚羧酸系高性能減水劑的分子結構呈梳形，其特點是在主鏈上帶有較多的活性基團，這些基團有磺酸基團，羧酸基團，羥基基團，側鏈是較長的聚氧烷基烯基團-m-R等。各基團對水泥的分散作用發(fā)揮不同的作用，一般認為，帶有負電磺酸基和羧酸基可以吸附到水泥顆粒表面，起到錨固作用，也起到一定的靜電排斥作用。長側鏈在溶液中伸展起到較強的空間位阻作用，空間位阻作用對水泥顆粒的分散作用較強，且對電解質的影響不像靜電作用那樣敏感，因此聚羧酸系高性能減水劑具有很好的分散作用，對水泥品種的適應性也比較好。

　　聚羧酸系高性能減水劑分子結構與性能的關系

　　常用的聚羧酸系減水劑分可為兩大類，一類是以馬來酸酐為主鏈接枝不同的聚氧乙烯基或聚氧丙烯基支鏈的接枝共聚物；另一類以甲基丙烯酸為主鏈接枝EO或PO支鏈聚合物。此外，也有烯丙醇類為主鏈接枝EO或PO支鏈。

　　聚羧酸系列減水劑的分子結構設計是在分子主鏈或側鏈上引入強極性基團羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等，使分子具有梳形結構。分子量分布范圍一般為10000~100000，比較集中于50000左右。

　　聚合物所帶官能團如羧基、磺酸基和聚氧乙烯基的數(shù)量以及側鏈的鏈長、主鏈聚合度等影響聚羧酸系減水劑對水泥粒子的分散性。由于分子中同時有羧基和酯基，使其既可以親水，又具有一定的疏水性。由于聚羧酸系列具有羧基，同萘系減水劑一樣，DLVO理論仍適用。羧基負離子的靜電斥力對水泥粒子的分散有貢獻。同樣，相對分子質量的大小與羧基的含量對水泥粒子的分散效果有很大的影響。由于主鏈分子的疏水性和側鏈的親水性以及側基的存在，也提供了一定的立體穩(wěn)定作用，即水泥粒子的表面被一種嵌段或接枝共聚物所穩(wěn)定，以防發(fā)生無規(guī)則凝聚，從而有助于水泥粒子的分散。它的穩(wěn)定機理是所謂的“空間穩(wěn)定理論”。

　　業(yè)內專家廖國勝等人認為，在減水劑分子結構中，羧基含量的增加有利于提高減水劑的減水率和保坍性能。但過高減水劑的合成難以控制，分散性也明顯下降。而磺酸基的增加，有利于提高其減水率，但由于主鏈接枝能力有限，磺酸基的含量趨于飽和，減水劑的分散性能也將達到最大值。同時由于含磺酸基的有機原料價格較高，因此會相應增加減水劑的生產成本；酯基含量的增加有利于減水劑保坍性能。但隨著酯基含量的提高，減水劑的引氣將急劇增加，氣泡體積迅速增大，反而不利于其保坍作用。聚氧乙烯鏈的長度對減水劑的保坍性能起著至關重要的作用。隨著其鏈長的增長，減水劑分子的側鏈長度增加，水泥漿體和混凝土的黏聚性增加，減水劑的保坍性能迅速提高。但鏈長超過一定值，單位質量的減水劑分子中其他具有高效減水功能的基團的含量相應降低，其減水性能將減弱。