高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與展望

     要:本文概述了國(guó)內(nèi)外高性能減水劑的主要性能及發(fā)展現(xiàn)狀,介紹了高性能減水劑的種類與組成,提高了有關(guān)高性能減水劑的研究?jī)?nèi)容及今后研究方向。
    Abstract: In this paper, the main properties and the present development condition of the high penformance water-reducing agent in the world have been summarized ,then the composites of various type and something about the research contents and trends have been proposed.
    Key Words:: High Performance Water-reducing Agent, Present Development Condition and Trends

    前言

    一般地說(shuō),高性能混凝土指有高耐久、高強(qiáng)度、高流動(dòng)性的混凝土,它與普通混凝土在原料上的最大區(qū)別是,以高性能減水劑和超細(xì)礦物摻和料作為混凝土的第五第六必組分,它們的性能是當(dāng)前各國(guó)混凝土工程界與材料界限關(guān)注的重點(diǎn)。
超細(xì)礦物摻和料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料,對(duì)它的研究已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。高笥能混凝土的另一種關(guān)鍵材料高性能減水劑,屬于有機(jī)化學(xué)材料,包括從材料種類與性質(zhì)特征、原材料選擇與合成工藝控制、產(chǎn)品分子形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能等,到水泥分散體系中減水劑的物化作用機(jī)理、減水劑對(duì)水泥水化性化性能的影響及其在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)等,在理論和實(shí)際應(yīng)用方面還有待于深入系統(tǒng)地研究。

    1、 國(guó)內(nèi)外高性減水劑的發(fā)展現(xiàn)狀

   從減水劑性能的變化方面來(lái)看,可以簡(jiǎn)單地把減水劑的發(fā)展概括為三個(gè)階段:(一)普通減水劑有應(yīng)用與發(fā)展:(二)高效減水劑、流化劑的合成與應(yīng)用階段;(三)高性能減水劑的發(fā)展階段。 

    20世紀(jì)三十年代初到六十年代,英國(guó)、美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)在公路、隧道等工程中使用了減水劑和其它外加劑。早期使用的減水劑包括松香酸納、木質(zhì)素磺酸納、硬功夫脂酸皂等有機(jī)物,該時(shí)期的普通減水劉得到了廣泛應(yīng)用和較快發(fā)展,萘磺酸甲醛縮合物是1936年由Kennedy發(fā)現(xiàn),日本1962年由服部研制成功以萘磺酸甲縮合物為主要成分的高效減水劑;1964年聯(lián)邦德國(guó)研制成三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮全物理學(xué)高效減水劑,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(chǎn)品作為高效減水劑、流化劑在許多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用和較大發(fā)展,此階段產(chǎn)品的特點(diǎn)是減水率較高,但保持混凝土流動(dòng)性的效果較差,一般通過(guò)多次添加法、后摻法、與緩凝劑復(fù)合使用法來(lái)加以解決。但往往出現(xiàn)一些操作上或技術(shù)上的困難,引起混凝土性能和質(zhì)量的不穩(wěn)定。1985年,在日本發(fā)表了第一篇反應(yīng)高分子用于萘系的高性AE減水劑的論文,此后保持混凝土塌落度的高性減水劑得到日本有關(guān)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(shí),聚羧酸系、三聚氰胺系、氨基磺酸系、改性木質(zhì)素磺酸系列化高性能減水劑得到迅速的開發(fā)。隨著有關(guān)降低單位用水量和改善施工性能的對(duì)策不斷完善,進(jìn)一步推動(dòng)了流動(dòng)化混凝土施工方法的標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)了預(yù)拌混凝土高減水、塌落度保持良好的目的。目前,各國(guó)對(duì)聚羧酸系減水劑在日本的使用量已超過(guò)了萘系減水劑。

    目前,國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)仍是開發(fā)新品種及新合成方法。在眾多系列的減水劑中,聚羧酸系減水劑具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如具有高減水、低塌落度損失、低摻量、不緩凝、不受摻加時(shí)間影響等性能,另外,環(huán)保問(wèn)題也可以得到很好的解決。隨關(guān)高強(qiáng)、超高強(qiáng)流動(dòng)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(dòng)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(diǎn),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(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品,是化學(xué)外加劑研究開發(fā)的重點(diǎn)。

    日本是研究和應(yīng)用聚羧酸系減水劑最多也是最成功的國(guó)家,已從研究萘系基本上轉(zhuǎn)向研究聚羧酸系,近年來(lái),北美和歐洲的一些研究者的論文中,也有研究開發(fā)具有優(yōu)越性能的聚羧酸系的報(bào)道。目前,研究中心已從磺酸系超塑化劑改性逐漸移向?qū)埕人嵯档难芯?,在我?guó),萘系高效減水劑應(yīng)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(guò)快,難以滿足實(shí)際工程的施工要求,而復(fù)合產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,往往影響到混凝土的凝結(jié)硬功夫化和耐久性;加外萘系產(chǎn)品的原料日益缺乏,價(jià)格上漲,急需研制非萘系減水劑。目前,我國(guó)研究聚羧酸系減水劑尚處于起步階段。

    2、 高性能減水劑的種類

    在日本,各種高性能減水劑統(tǒng)稱為高性能AE減水劑,該產(chǎn)品具有很高的減水率和長(zhǎng)時(shí)間保持混凝土塌落度的性能,可以達(dá)到一定的引氣量,在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以自由設(shè)定使用量,根椐其發(fā)揮減水性的主要成分,可把高性能減水劑分為改性木質(zhì)素系、萘系、密胺系、氨基磺酸系、等五大類。前四種主要通過(guò)磺化縮合,將帶強(qiáng)極性官能團(tuán)的單體縮聚而得到產(chǎn)物,而聚羧酸類的減水劑則主要通過(guò)不飽和單體在引發(fā)劑作用下共聚,即將帶活性基團(tuán)的側(cè)鏈接枝到聚合物的主鏈上而獲得。聚羧酸系減水劑的分子結(jié)構(gòu)呈梳形,特點(diǎn)是在主鏈上帶多個(gè)活性基團(tuán),并且極性較強(qiáng);側(cè)鏈也帶有親水性的活性基團(tuán),并且鏈較長(zhǎng)、數(shù)量多;疏水基的分子鏈短,數(shù)量也少。如用以下通式來(lái)表示聚羧酸系減水劑的化學(xué)結(jié)構(gòu),則實(shí)際代表物的化學(xué)式只是其中某些部分組合。
另外,從對(duì)水泥水化影響看,這類減水劑有標(biāo)準(zhǔn)型和緩凝型兩種;從其用途來(lái)說(shuō),也有用于普通、高強(qiáng)、超高強(qiáng)高流動(dòng)性混凝土的區(qū)別。

    22高性能減水劑的材料組成 

    高性能減水劑一般由一種或數(shù)種成分復(fù)合而成。我國(guó)的高效泵送劑大多數(shù)是通過(guò)高效減水劑、普通減水劑、引氣劑、緩凝劑、增稠劑等幾種組分復(fù)合而成的。具有較高減水率和一定的塌落度保持性能,與日本的用于普通、高強(qiáng)混凝土的緩凝型高性AE減水劑相似,廣泛用于C20—C60商品混凝土的生產(chǎn)。由于復(fù)合外加劑配方波動(dòng)較大,與不同水泥的相容性較差,另外,各生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)水平差異很大,不能保證外加劑產(chǎn)品的高質(zhì)量和正確應(yīng)用,工程中常出現(xiàn)外加劑適應(yīng)性不良、混凝土離析泌水、緩凝時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、塑性收縮裂縫較多,耐久性不良等眾多問(wèn)題。我國(guó)尚未制定高性能減水劑標(biāo)準(zhǔn),其技術(shù)發(fā)展水平與國(guó)外發(fā)達(dá)水平相比,差距較大。下面介紹的高性能減水劑的材料組成,主要根椐是日本的高性能AE減水劑的有關(guān)文獻(xiàn)資料。

    (1 改性木質(zhì)素磺酸鹽系  

    代表物為木質(zhì)素磺酸鹽縮合物,主要由脫糖木質(zhì)素磺鹽縮合與烷基醚共聚改性而成,平均分子量比普通木鈣的要高,有一定的緩凝性,它的吸附分散作用主要是在粒子間產(chǎn)生靜電斥力和空間位阻作用力。  

    (2 萘系

    主要產(chǎn)物為萘磺酸鹽甲醛縮合物,制造時(shí)混合烷基萘或添加改性木質(zhì)素磺酸鹽或徐放型高分子化合物等,以保持適度的引氣性及降低混凝土塌落度損失的性能。該系列減水劑主要由分散性組分和分散性保持組分成。

    (3 密胺系

    主要代表物為密胺磺酸鹽甲醛綜合物,生產(chǎn)時(shí)加入改性木質(zhì)素類或苯酚、水楊酸,主要目的是生成有立體松散毛刺狀高分子、交聯(lián)高分子以抑制塌落度損失。該系列減水劑主要由分散性組分和分散保持組分,或由分散性組分和具有分散保持功的分散性組分組成。

    (4 氨基磺酸系

    主要產(chǎn)物為芳香族氨基磺酸鹽聚合物,該產(chǎn)物為具有分散保持功能的分散性組分,緩凝作用較強(qiáng),它的吸附分散機(jī)理主要是DEVO理論和空間位阻理論。

    (5 聚羧酸系

    聚羧酸系減水劑的代表產(chǎn)物很多,但其結(jié)構(gòu)都基本上遵循一定的規(guī)則,即在重復(fù)單元的末端或中間位置帶有某種活性基團(tuán)(如聚氧烷基EO、—COOH、—COO、—SO、H、—SO等),由一種或幾種低極性聚烯烴鏈或中等極性聚酯鏈、聚丙烯酸脂鏈或強(qiáng)極性的聚醚鏈共聚合而成。主鏈中的活性基團(tuán)鏈段通過(guò)離子鍵、共價(jià)健、氫鍵及范德華力等相互作用,緊緊地吸附在強(qiáng)極性的水泥粒子表面上,并改變其表電位;帶多個(gè)活性基團(tuán)的側(cè)鏈嵌掛在主鏈上,當(dāng)吸附在固體顆粒表面時(shí)形成具有一定厚度的溶劑化層,同時(shí)傳遞一定的靜電斥力。所選的單體主要有四種類:
    1
不飽合酸馬來(lái)酸酐、馬來(lái)酸和丙烯酸、甲基丙烯酸;
    2
聚鏈烯基礎(chǔ)物質(zhì)聚鏈烯基烴、醚、醇、磺酸;
    3
、 聚笨乙烯磺酸鹽或脂;
    4
(甲基)丙烯酸鹽或酯、笨二酚、丙烯酰胺。
    3
、 高性能減水劑的研究?jī)?nèi)容

    31理論研究

    主要包括三個(gè)方面:1、對(duì)不同種類產(chǎn)品的合成、分子結(jié)構(gòu)與減水劑性能之間的關(guān)系等的研究;2、作用機(jī)理的研究;3、混凝土性能的研究等。如圖1所示,它涉及到精細(xì)化工產(chǎn)品從生產(chǎn)到應(yīng)用全工序的各個(gè)階級(jí)。

    高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向是在分子主鏈或側(cè)鏈上引人強(qiáng)極性基團(tuán)羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等,通過(guò)極性基與非極性基的比例可調(diào)節(jié)引氣性,一般非極性基比例不超過(guò)30%;可通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物分子量而增大減性、質(zhì)量穩(wěn)定性,通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)鏈分子量,增加立體位阻作用而提高分散性保持性能。國(guó)內(nèi)近年來(lái)開始通過(guò)分子設(shè)計(jì)而探索聚羧酸類高效減水劑的合成途徑,從材料選擇,降低成本、提高性能等方面考慮而改進(jìn)合成工藝也僅僅是起步;國(guó)內(nèi)側(cè)偏重研究聚羧酸系減水劑的新拌混凝土有關(guān)性能、硬化混凝土的力學(xué)性能及工程使用技術(shù),但對(duì)減水劑的分子結(jié)構(gòu)表征、作用機(jī)理、水泥分散體系的物性和減水劑對(duì)水泥水化的影響等研究仍然很少。只有在深入研究理論的基礎(chǔ)上,才能使開發(fā)的產(chǎn)品更加功能化、原材料更加樣化、生產(chǎn)與使用環(huán)境生態(tài)化、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。

    32應(yīng)用技術(shù)的研究

    (1 在高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用。

    高性能減水劑可使混凝土的水灰比下降到0.25以下,而水泥用量仍可保持在500kg\m3,同時(shí)它的坍落度可保持200mm以上,完全能滿足泵送需要,從而可配制出高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土。這類混凝土的應(yīng)用情況反映了整個(gè)國(guó)家的高性能減水劑的技術(shù)水平。

    北美、歐洲的一些國(guó)家和日本、澳大利亞等應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土相對(duì)較多,如美國(guó)的芝加哥、西雅圖、紐約、休期敦;加拿大的多倫多、德國(guó)的法蘭克福等均有多幢超高強(qiáng)高性能混凝土建筑;日本不僅應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土建造高層住宅,而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁、桁架、管、電桿等。目前,應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土最好的國(guó)家是挪威,其已有C105級(jí)超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,此為目前世界強(qiáng)度等級(jí)第二高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(德國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已達(dá)C110級(jí))。挪威已在建造北海油田的鉆井平臺(tái)中使用超高強(qiáng)高性能混凝土,并將超高強(qiáng)高性能混凝土廣泛用于道路工程,明顯提高了混凝土路面的耐磨性,適應(yīng)了挪威嚴(yán)寒地區(qū)汽車帶釘輪胎對(duì)路面的強(qiáng)磨蝕作用,近10年來(lái),中國(guó)在混凝土技術(shù)方面取得了明顯進(jìn)步。在普遍應(yīng)用C30、C40等級(jí)混凝土的基礎(chǔ)上,C50、C60高笥能混凝土的工程應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,C80混凝土已在預(yù)應(yīng)力管樁構(gòu)件中使用,也有少量C80高強(qiáng)泵送混凝土在工程中應(yīng)用。

    (2 提高混凝土的耐久性

    一般來(lái)說(shuō),抗?jié)B性的混凝土,其密實(shí)性高,耐久性也好,摻用減水劑可以減少混凝土的用水量,從而提高混凝土的密實(shí)性,有利耐久性的提高;引氣劑則可以改變混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),能使混凝土的抗?jié)B性能及抗凍性能有很大改善。在保持水灰比及流動(dòng)性不變的情況下,使用高性能減水劑降低混凝土中水的用量,同時(shí)引入一定的微小氣孔,其用意在于提高混凝土的耐久性。

    (3 流態(tài)混凝土中的應(yīng)用

    高性能減水劑和礦物超細(xì)粉是高性能混凝土的兩個(gè)關(guān)鍵組分,減水劑使混凝土中的水泥用量減少,超細(xì)粉用量增大,在施工過(guò)程中混凝土不會(huì)離析,它的坍落度保持在200mm以上,稍加振搗或免振就能使混凝土在鋼筋密集部位得到很好的填充,使制作流態(tài)混凝土包括自流平及自密混凝土的技術(shù)得到實(shí)現(xiàn)。

    (4 外加劑技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

    為保證工程質(zhì)量,合理使用高性能減水劑,使混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范化,進(jìn)一步提高混凝土的耐久性,必須進(jìn)行高性能減水劑應(yīng)用技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化研究。在我國(guó),外加劑行業(yè)很早制訂了一些技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),如GB8076—89“混凝土外加劑等,但現(xiàn)有的減水劑標(biāo)準(zhǔn)尚沒有規(guī)定用于高流動(dòng)混凝土的減水率大于30%的高性能減水劑評(píng)價(jià)方法。

    在日本,能適合JISA308標(biāo)準(zhǔn)的高性能減水劑是極為有效的外加劑。為制造單位用水量更少且施工性能更好的混凝土,混凝土外加劑協(xié)會(huì)委托日本建筑學(xué)會(huì)、土木學(xué)會(huì)編制使用高性能AE減水劑的混凝土施工指南、質(zhì)量基準(zhǔn)及規(guī)范,日本建筑學(xué)會(huì)已于19926月公布了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn);19938月通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院成立委員會(huì)調(diào)查及制訂JISA6204(混凝土化學(xué)外加劑)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),1995年新的JISA6204完成。由此,高性能AE減水劑的規(guī)格、基準(zhǔn),設(shè)計(jì)強(qiáng)度及適用范圍都有明確的標(biāo)準(zhǔn)。最近,有人提出將其JIS標(biāo)準(zhǔn)與IAO標(biāo)準(zhǔn)整體一致化,使外加劑規(guī)格滿足國(guó)際化要求。

    (5 經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題

    高性能混凝土成本高于常規(guī)混凝土,其原因是超細(xì)粉摻合料與高性能減水劑成本高。高性能減水劑中的保持分散性的組分的成本較高,因此其造價(jià)比高效減水劑或流化劑高。在相同條件下不同系列的高性能減水劑的摻量順序?yàn)椋壕埕人嵯?/SPAN>< 氨基磺酸系密胺系萘系,選用不同的高性減水劑配制高性能混凝土,應(yīng)從混凝土的強(qiáng)度、工作性、耐久性、價(jià)格等方面綜合考慮。例如:某大廈基礎(chǔ)配制C45混凝土的底板、梁、柱,原采用萘系減水劑,改用摻量更低的聚羧系減水劑的混凝土,塌落度保持時(shí)間延長(zhǎng),早期(3天)平均強(qiáng)度更高、混凝土質(zhì)量穩(wěn)定,施工進(jìn)度加快,也可以產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。

    4、 結(jié)語(yǔ)
    高性能減水劑的研究已成為混凝土材料科學(xué)的一個(gè)重要分并推動(dòng)著整個(gè)混凝土材料從低技術(shù)向技術(shù)發(fā)展。為些,我們不僅僅需要從高性能減水劑的合成、作用機(jī)理、結(jié)構(gòu)與性能等進(jìn)行深入系統(tǒng)的理論研究,也需要產(chǎn)品的應(yīng)用技術(shù)方面進(jìn)行大量的研究工作。

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