簡(jiǎn)述聚羧酸系高效減水劑知識(shí)簡(jiǎn)介

　　一、混凝土外加劑的發(fā)展現(xiàn)狀

　　減水劑是一種重要的混凝土外加劑，是新型建材支柱產(chǎn)業(yè)的重要產(chǎn)品之一。高效減水劑不但大大提高了高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，而且提供了簡(jiǎn)便易行的施工工藝。目前我國(guó)廣泛使用的高效減水劑主要是萘系產(chǎn)品。

　　萘系高效減水劑對(duì)我國(guó)混凝土(砼)技術(shù)和砼施工技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)提高建筑物的質(zhì)量和使用壽命、降低能耗、節(jié)省水泥及減少環(huán)境污染等方面都起著重要的作用。由于萘系高效減水劑的應(yīng)用而出現(xiàn)的高強(qiáng)砼、大流動(dòng)性砼是砼發(fā)展史上繼鋼筋砼、預(yù)應(yīng)力砼后的第三次重大革命。可以說減水劑的技術(shù)及其應(yīng)用代表著一個(gè)國(guó)家建筑材料和施工技術(shù)的水平。

　　但是萘系減水劑在近幾十年的發(fā)展中也暴露了一些自身難以克服的問題。例如，用它配制的砼坍落度損失影響十分明顯，不可能有更高的減水率，其生產(chǎn)的主要原料——萘是煉焦工業(yè)的副產(chǎn)品，來源受鋼鐵工業(yè)的制約，等等。為此，國(guó)外積極研究和開發(fā)非萘系高效減水劑，以豐富的石油化工產(chǎn)品為原料，以極高的減水串、極小的坍落度損失使萘系減水劑黯然失色，從而開創(chuàng)出減水劑技術(shù)和砼施工技術(shù)的新局面。

　　我國(guó)聚羧酸系減水劑發(fā)展起步較晚，其用量只占減水劑總用量的2%左右，但其在國(guó)內(nèi)重特大工程中的應(yīng)用正逐漸增多。國(guó)外不少大的化學(xué)建材公司，如德固賽集團(tuán)、格雷斯建材公司、馬貝集團(tuán)、西卡公司、富斯樂公司和花王公司等，紛紛將自己生產(chǎn)的聚羧酸系減水劑產(chǎn)品通過進(jìn)口方式引進(jìn)中國(guó)市場(chǎng)，對(duì)推動(dòng)聚羧酸系減水劑在工程中的應(yīng)用起到了非常重要的作用。值得一提的是，國(guó)內(nèi)少數(shù)廠家也開始生產(chǎn)、銷售聚羧酸系減水劑產(chǎn)品。目前，我國(guó)正在制定聚羧酸系高性能減水劑的標(biāo)準(zhǔn)，相信會(huì)促進(jìn)我國(guó)聚羧酸系減水劑工業(yè)的快速、健康發(fā)展。

　　二、聚羧酸系高效減水劑的研究進(jìn)展

　　自20世紀(jì)90年代以來，聚羧酸已發(fā)展成為一種高效減水劑的新品種。它具有強(qiáng)度高和耐熱性、耐久性、耐候性好等優(yōu)異性能。其特點(diǎn)是在高溫下坍落度損失小，具有良好的流動(dòng)性，在較低的溫度下不需大幅度增加減水劑的加入量。 在日本，聚羧酸高效減水劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，大量應(yīng)用于高層建筑。由于種種原因，我國(guó)目前仍停留在研究階段，尚未形成生產(chǎn)規(guī)模。以下是影響聚羧酸高效減水劑性能的一些重要因素。

　　2.1 反應(yīng)單體的選擇

　　早期的聚羧酸減水劑體系是烯烴與不飽和羧酸的共聚物，烯烴與不飽和羧酸共聚的條件較難控制，并且產(chǎn)物的相對(duì)分子質(zhì)量只有數(shù)千，強(qiáng)度不高，單獨(dú)使用效果不好，只能和其他類型的減水劑并用。為了改變這種情況，研究者嘗試改變聚合單體。

　　Shawl等采用4—羥基丁醛和3—羥基異丁醛以7：1的比例混合后再與聚乙二醇共聚合成水泥分散劑。也可采用馬來酸酐、氨基羧酸、甲氧基二縮三乙二醇共聚合成減水劑。Mat—sunage等合成了聚合物HO—A一(S)x一B—OH(A，B為二價(jià)有機(jī)基團(tuán)，x為2—5)，并認(rèn)為采用此種聚合物與不飽和基團(tuán)如烯基、胺基、碳基等共聚可獲得性能良好的分散劑。聚羧酸減水劑目前多采用不飽和酸及其衍生物與聚乙二醇或其衍生物共聚的方法，或加入第三單體。

　　純聚羧酸減水劑的起始Zeta電位較高，但是經(jīng)時(shí)變化比較大，控制坍落度損失方面較差。以聚氧乙烯為主鏈或在側(cè)鏈上引入聚氧乙烯，可使減水刑具有保持Zeta電位，控制坍落度損失的能力，同時(shí)聚烷氧基鏈還起到消泡的作用。端基可采用不同的結(jié)構(gòu)或者再與不飽和羧酸共聚。這種混合物的烷烴的端基不易發(fā)生凝膠化，可降低咸水劑的減水率對(duì)溫度的依賴性，并能夠在較高溫度下減少塌落度損失，在較低溫度下減少減水劑的添加量。

　　Akimoto等采用烯醚基聚氧乙烯與馬來酸酐或其衍生物共聚，以羧酸為側(cè)鏈，烷氧基為主鏈合成減水劑。Honda等認(rèn)為此種改性方法有一定效果，并加入雙烯烴聚環(huán)氧乙烷作為第三種單體，控制與烷氧基環(huán)氧乙烷單烯基的共混比例。用此種混合物與馬來酸酐共聚，產(chǎn)品使用效果更好。

　　Ohta等采用聚羧酸及其衍生物與甲氧基聚乙二醇共聚，聚羧酸的單體中至少含有兩個(gè)羧基(如苯乙烯—馬來酸酐共聚物)，并合成了苯乙烯—馬來酸酐共聚物、異丁烯—馬來酸酐共聚物、甲基丙烯酸—甲基丙烯酸酯共聚物等。特此類共聚物與甲氧基聚乙二醇、少量聚氧乙烯—聚氧丙烯共聚合成減水劑。

　　Hirata等研究了馬來酸封端的二聚乙二醇3—甲基—3—異丁烯醚以及含有聚氧烷基醇側(cè)鏈的聚羧酸系的減水劑。

　　Takahashi等采用聚氧烷基衍生物A，不飽和羧酸單體B，含有SO3H一的單體C共聚合成水泥分散劑，并引入硅氧基單體。

　　Tanaka長(zhǎng)期從事高性能聚羧酸減水劑合成的研究。他認(rèn)為要減少混凝土中的氣飽含量，不能單靠外加消泡劑，必須考慮相容性的問題。在聚羧酸減水劑中引入烷氧基側(cè)鏈?zhǔn)且环N可行的方法。1997年他采用甲氧基聚乙二醇單不飽和酯與不飽和酸共聚，并加入少量的環(huán)氧乙烷—環(huán)氧丙烷共聚物，所合成的產(chǎn)品具有良好的使用性能。進(jìn)一步的研究還發(fā)現(xiàn)，改變烷氧基聚乙二醇單不飽和酯與不飽和酸的配比，不再引入環(huán)氧乙烷—環(huán)氧丙烷共聚物，同樣也可取得良好的效果：如提高水泥粒子的分散性，提高混凝土的流動(dòng)性，獲得適當(dāng)?shù)暮瑲饬?，良好的工作性和?qiáng)度。該方法合成步驟比較簡(jiǎn)單。

　　花王公司的Satoh等和Nippon公司的Ya—mashita等也研究過類似的體系。研究結(jié)果表明該方法具有較好的應(yīng)用前景。所不同的是Tanaka等主要研究甲氧基聚乙二醇單丙烯酸酯與甲基丙烯酸的共聚反應(yīng)。Satoh等主要研究甲氧基聚氧乙烯(或氧乙烯—氧丙烯聚合物)甲基丙烯酸酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸的共聚反應(yīng)。Yamashita等認(rèn)為早期聚羧酸減水劑采用有端羥基的聚合物容易引起凝膠化，而且工業(yè)化生產(chǎn)比較因難，需要加入大量的鏈轉(zhuǎn)移劑來防止凝膠現(xiàn)象發(fā)生，減水效率也會(huì)下降。并指出合成帶有端羥基的高分子分散劑不具有實(shí)用價(jià)值，這種分散劑極易凝膠，雖然在實(shí)驗(yàn)室可以合成，但是大規(guī)模的應(yīng)用極為因難，如果采用硫醇作引發(fā)劑，可能需要大量的引發(fā)劑，得到的產(chǎn)品會(huì)含有游離的引發(fā)劑，在使用中會(huì)影響減水效果。他采用不同鏈段長(zhǎng)度的無端羥基的醚基聚乙氧基不飽和酸酯及其鹽(A)和丙烯酸類不飽和羧酸(B)共聚來解決此問題，并認(rèn)為適當(dāng)添加第三單體有利于改進(jìn)減水劑的性能。

　　國(guó)內(nèi)也開展了高性能聚羧酸減水劑方面的合成研究。向建南等采用馬來酸酐與聚乙二醇預(yù)聚制備馬來酸酐單酯，然后由馬來酸酐單酯與2—甲基丙烯酸共聚制備AE減水劑。郭保文等采用烷氧基聚烷基二醇和丙烯酸甲酯進(jìn)行酯交換反應(yīng)，所得的聚合物再與丙烯酸共聚得到減水劑。聚羧酸減水劑的使用效果也有過報(bào)道。

　　2.2 單體比例的選擇

　　Tanaka認(rèn)為合成的聚合物中可以存在三種單體。最佳比例是單體A(甲氧基聚乙二醇單甲基丙烯酸酯)的質(zhì)量比例為40%一94%；單體B(不飽和羧酸)的質(zhì)量比例為6%一60%；單體C(甲基丙烯酸的脂肪醇酯或不飽和二酸的衍生物)的質(zhì)量比例為0—10%。他還認(rèn)為不飽和羧酸在起始原料質(zhì)量百分比為10%一28%的范圍最好，如果高于28%，混凝土就會(huì)有過高的氣泡含量，如果添加量小于10%，聚合物中羧基含量太少，要達(dá)到合適的水泥分散性要增加減水劑的添加量，使費(fèi)用增大。

　　Satoh合成的具有良好分散效果的聚合物中也含有三種單體。單體A含10%一30%(mol)的聚氧烷基；單體B含50%一70%(mol)的不飽和羧酸酯(如丙烯酸酯)；單體C含10%一30%(mol)的不飽和羧酸或其鹽(如甲基丙烯酸)。

　　Yamashita認(rèn)為醚基聚乙氧基不飽和酸酯的末端要含有1—30個(gè)碳的烷基，并認(rèn)為聚合物中兩單體A和B最好都含有羧酸根，但羧基的含量不可大于聚合物質(zhì)量的25%，這一點(diǎn)可以用羧酸根的緩凝作用來解釋。

　　向建南認(rèn)為單體比例對(duì)共聚物的分散性能有較大的影響。在單體比例為1才，共聚物分散性能最好。當(dāng)二者投料比小于1時(shí)，在產(chǎn)物分子中一COO一等親水性基團(tuán)含量大，這雖然增加了產(chǎn)物的親水性，但同時(shí)烷氧基聚乙二醇醚側(cè)鏈含量太少，產(chǎn)物的分散性能變差；當(dāng)二者投料比大于1時(shí)，烷基酚聚乙二醇醚側(cè)鏈的含量相對(duì)減少，這將導(dǎo)致產(chǎn)物親水性能降低，改變了產(chǎn)物的界面性質(zhì)，從而使產(chǎn)物的分散性能降低。他還認(rèn)為乳化劑OP的環(huán)氧值對(duì)共聚物以及產(chǎn)物的分散性能都有影響。隨著環(huán)氧值增大，共聚物對(duì)水泥的分散性能增加，但當(dāng)環(huán)氧值太大時(shí)，共聚物的分散性能反而下降。

　　2.3 聚氮烷基鏈長(zhǎng)的選擇

　　目前對(duì)于聚氧烷基單體的選擇看法基本一致，認(rèn)為最好選用聚氧乙烯或聚氧丙烯。Tanaka認(rèn)為聚氧烷基鏈長(zhǎng)可以在1—100之間，如果要獲得高的親水性和立體斥力，n值最好在5—100之間，并介紹了M＝10和M＝25時(shí)的反應(yīng)情況。向建南等的實(shí)驗(yàn)表明，M＝12左右時(shí)合成的減水劑效果最佳。李永德也有同樣的看法。但Satoh卻認(rèn)為良好的水泥分散劑的聚氧烷基鏈長(zhǎng)一般為25—300，最好在110—300之間。這樣才具有充分的立體斥力來提高分散效果，并且能在用量少的情況下保持流動(dòng)性。水泥表面親水性能基本上不會(huì)影響混凝土的緩凝。Yamashita認(rèn)為聚氧烷基M值應(yīng)為15—300；而Honda認(rèn)為如果引氣率高，可以通過減少烷基碳鏈個(gè)數(shù)來降低引氣率；高的n值會(huì)增加共聚物的粘性，假如合成的減水劑產(chǎn)品只有較小范圍的坍落度改進(jìn)，可以通過增加M值來改進(jìn)，首選M值為1—200。

　　2.4 聚合物相對(duì)分子質(zhì)量及其分布的影響

　　作為一種分散劑，聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量及其分布對(duì)分散劑的分散性能具有十分重要的影響。因?yàn)榫埕人犷悳p水劑屬于陰離子表面活性劑，含有大量羧基親水基，如果相對(duì)分子質(zhì)量過大，聚合物分散性能不好。相對(duì)分子質(zhì)量太小，則聚合物維持坍落度能力不高。

　　雷愛中經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為聚羧酸類減水劑相對(duì)分子質(zhì)量應(yīng)該控制在1000—5000之間。而日本學(xué)者則認(rèn)為高性能聚羧酸減水劑的重均相對(duì)分子質(zhì)量的范圍應(yīng)在10000—100000之間。Tanaka通過GPC法測(cè)定相對(duì)分子質(zhì)量分布，取曲線最高峰值為Mp，認(rèn)為要獲得高分散性的減水劑還應(yīng)使(Mw-Mp)大于0且小于7000為最佳。如果(Mw-Mp)大于7000，表示有較多相對(duì)分子質(zhì)量高的聚合物存在，水泥分散性能低，其減少坍落度損失能力也會(huì)下降。相反(Mw-Mp)小于0，則表示相對(duì)分子質(zhì)量低的聚合物占大多數(shù)，混凝土中的氣泡含量會(huì)增加，產(chǎn)品的性能也會(huì)下降。

　　2.5端基的影響

　　烷氧基聚氧乙烯不飽和酸茁中的烷基端基最好選擇短碳鏈的脂肪烷基或苯基，脂肪烷基碳數(shù)目可為1—18，但常用的是1—4個(gè)碳鏈的烷基。

　　2.6 聚合物添加量的影響

　　聚羧酸類物質(zhì)具有分散作用，當(dāng)加入這些物質(zhì)時(shí)，能提高水泥凈漿流動(dòng)度；另一方面，在液相中聚按酸類物質(zhì)的添加量的增多使粘度增大。這種分散作用與粘度增大對(duì)水泥流動(dòng)度相互制約，從而影響了其塑化效果。Tanaka 認(rèn)為分散劑在混凝土中的添加量?jī)H需0.01%-1.0%(質(zhì)量含量)，最好為0.02%一0.5%。如果添加量少于0.01%，水泥分散劑不能維持其性能；如果大于1.0%，過量使用不能帶來性能的提高。Satoh和Yamashita則認(rèn)為范圍可以放寬，最好在0.05%一1.0%的范圍。

　　2.7 聚羧酸高效減水劑的作用機(jī)理

　　聚羧酸類減水劑是新型減水劑，具有許多優(yōu)良的性能，但其作用機(jī)理目前尚未完全清楚，以下是其中一些觀點(diǎn)。

　　(1)聚羧酸類聚合物對(duì)水泥有較為顯著的緩凝作用，主要由于羧基充當(dāng)了緩凝成分，R—COO一與Ca2+離子作用形成絡(luò)合物，降低溶液中的Ca2+離子濃度，延緩Ca(OH)z形成結(jié)晶，減少C—H—S凝膠的形成，延緩了水泥水化。

　　(2)羧基(一COOH)，經(jīng)基(一OH)，胺基(一NHz)，聚氧烷基(一O—R)n等與水親和力強(qiáng)的極性基團(tuán)主要通過吸附、分散、潤(rùn)濕、潤(rùn)滑等表面活性作用，對(duì)水泥顆粒提供分散和流動(dòng)性能，并通過減少水泥顆粒間摩擦阻力，降低水泥顆粒與水界面的自由能來增加新拌混凝土的和易性。同時(shí)聚羧酸類物質(zhì)吸附在水泥顆粒表面，羧酸根離子使水泥顆粒帶上負(fù)電荷，從而使水泥顆粒之間產(chǎn)生靜電排斥作用并使水泥顆粒分散，導(dǎo)致抑制水泥漿體的凝聚傾向(DLVO理論)，增大水泥顆粒與水的接觸面積，使水泥充分水化。在擴(kuò)散水泥顆粒的過程中，放出凝聚體所包圍的游離水，改善了和易性，減少了拌水量。

　　(3)聚羧酸分子鏈的空間阻礙作用(即立體排斥)。聚羧酸類物質(zhì)分子吸附在水泥顆粒表面呈“櫛型”，在凝膠材料的表面形成吸附層，聚合物分子吸附層相互接近交叉時(shí)，聚合物分子鏈之間產(chǎn)生物理的空間阻礙作用，防止水泥顆粒的凝聚，這是羧酸類減水劑具有比其他體系更強(qiáng)的分散能力的一個(gè)重要原因。

　　(4)聚羧酸類高效減水劑的保持分散機(jī)理可以從水泥漿拌和后的經(jīng)過時(shí)間和Zeta電位的關(guān)系來了解。一般來說，使用萘系及三聚氰胺系高性能減水劑的混凝土經(jīng)60min后坍落度損失明顯高于含聚羧酸系高性能減水劑的混凝土。這主要是后者與水泥粒子的吸附模型不同，水泥粒子間高分子吸附層的作用力是立體靜電斥力，Zeta電位變化小。

　　三、聚羧酸系高效減水劑的主要技術(shù)特征

　　3.1 聚羧酸系高效減水劑摻量低，減水率高；

　　聚數(shù)酸系高效減水劑摻量占膠凝材料的0.80%-1.25%，因減水劑含固量為20%，折固量?jī)H為（0.16-0.25）%。減水率可達(dá)（20-35）%，與粉煤灰配合使用，使得水膠比較低，適應(yīng)配制中、高強(qiáng)度的高性能混凝土。

　　3.2 混凝土流動(dòng)性大，坍落度損失??；

　　由于聚羧酸系高效減水劑良好的分散穩(wěn)定性，聚羧酸系高效減水劑所配制的大流動(dòng)性混凝土（ 坍落度≥180mm）經(jīng)時(shí)損失小，一小時(shí)基本無坍落度損失，二小時(shí)經(jīng)時(shí)損失小于15%，彌補(bǔ)了常用萘系高效減水劑配制的混凝土坍落度損失大、易泌水等方面的缺陷，與粉煤灰配合使用，減水劑的小摻量即可獲得優(yōu)異的流動(dòng)性，適應(yīng)生產(chǎn)商品混凝土的工藝要求，特別對(duì)于泵送混凝土不易發(fā)生堵管現(xiàn)象。

　　3.3 與膠凝材料的適應(yīng)性良好

　　工程實(shí)踐中，不同廠家生產(chǎn)的水泥配制泵送混凝土，同時(shí)摻有大量的粉煤灰，聚羧酸系高效減水劑摻入后，與不同水泥的相容性較好，無明顯泌水離析、阻礙混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的現(xiàn)象產(chǎn)生，并因其高減水率，適應(yīng)與粉煤灰配合使用，減小了粉煤灰混凝土的收縮，又使混凝土可泵性得到明顯改善，而且提高了混凝土的耐久性。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，水泥用量增加，減水劑用量隨著少量增加，水膠比下降，混凝土強(qiáng)度提高；不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，減水劑用量隨著膠凝材料用量增加而少量增加，水膠比下降，混凝土的強(qiáng)度隨之提高，但混凝士和易性總體保持穩(wěn)定，坍落度可達(dá)（180-240）mm。

　　3.4 適應(yīng)澆筑防水抗?jié)B混凝土，對(duì)施工環(huán)境溫度要求低；

　　聚羧酸系高效減水劑配制泵送商品混凝土，由于混凝土流動(dòng)性大，易于澆筑密實(shí)，加之聚合物對(duì)水化產(chǎn)物的聚合活性，生成具有膠凝狀態(tài)的水化物填充空隙，混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度大幅度提高，聚合物的填充作用和聚合物膜的密封作用使混凝土抗?jié)B抗裂的性能得到改善；并且粉煤灰摻量大，混凝土水化熱小，減水劑的保塑功能明顯，適宜大體積混凝土及夏季施工，對(duì)于冬季施工，因?yàn)樗z比較低，聚合物形成的空間柔性網(wǎng)絡(luò)，提高了混凝土拌合物的粘聚力，使得混凝土早期抗凍性能增強(qiáng)。