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(chǎn)與施工技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于減水劑生產(chǎn)與應(yīng)用技術(shù)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(jīng)成為混凝土材料向高科技領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。近幾年發(fā)展起來的聚羧酸系高性能減水劑被國內(nèi)外公認(rèn)為是第三代減水劑，這種高性能減水劑無論從生產(chǎn)過程、原材料，還是其性能、分子結(jié)構(gòu)都與第二代減水劑具有本質(zhì)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(shù)發(fā)展的方向，其廣泛地應(yīng)用會(huì)對(duì)混凝土及其制品生產(chǎn)和質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。

　　聚羧酸系高性能減水劑的性能特點(diǎn)

　　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(diǎn)：低摻量與高性能———摻量為膠凝材料用量的0.2%~0.3%時(shí)，減水率可高達(dá)25%~35%；流動(dòng)性保持能力優(yōu)異———水泥凈漿流動(dòng)度可以在2小時(shí)內(nèi)基本無損失，3~4小時(shí)仍具有流動(dòng)性；適應(yīng)性好———對(duì)各種水泥和混合材料的適應(yīng)性優(yōu)于傳統(tǒng)的減水劑；生產(chǎn)過程無污染———合成過程中不使用甲醛等對(duì)環(huán)境有污染的材料；性能的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)———可實(shí)現(xiàn)對(duì)聚羧酸系高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)與性能的設(shè)計(jì)；原材料選擇范圍廣———可選擇不同種類的共聚單體，提高生產(chǎn)管理的靈活性；形成系列化產(chǎn)品———根據(jù)性能特點(diǎn)和使用性能要求，形成系列化具有不同性能特點(diǎn)的產(chǎn)品；提高混凝土制品和構(gòu)件的質(zhì)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(xué)性能和耐久性；綠色環(huán)保———使用聚羧酸類減水劑，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(jié)構(gòu)決定的：聚羧酸系高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)呈梳形，其特點(diǎn)是在主鏈上帶有較多的活性基團(tuán)，這些基團(tuán)有磺酸基團(tuán)，羧酸基團(tuán)，羥基基團(tuán)，側(cè)鏈?zhǔn)禽^長的聚氧烷基烯基團(tuán)-m-R等。各基團(tuán)對(duì)水泥的分散作用發(fā)揮不同的作用，一般認(rèn)為，帶有負(fù)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(cè)鏈在溶液中伸展起到較強(qiáng)的空間位阻作用，空間位阻作用對(duì)水泥顆粒的分散作用較強(qiáng)，且對(duì)電解質(zhì)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(duì)水泥品種的適應(yīng)性也比較好。

　　聚羧酸系高性能減水劑分子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在分子主鏈或側(cè)鏈上引入強(qiáng)極性基團(tuán)羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等，使分子具有梳形結(jié)構(gòu)。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(tuán)如羧基、磺酸基和聚氧乙烯基的數(shù)量以及側(cè)鏈的鏈長、主鏈聚合度等影響聚羧酸系減水劑對(duì)水泥粒子的分散性。由于分子中同時(shí)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(fù)離子的靜電斥力對(duì)水泥粒子的分散有貢獻(xiàn)。同樣，相對(duì)分子質(zhì)量的大小與羧基的含量對(duì)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(cè)鏈的親水性以及側(cè)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(jī)理是所謂的“空間穩(wěn)定理論”。

　　業(yè)內(nèi)專家廖國勝等人認(rèn)為，在減水劑分子結(jié)構(gòu)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(dá)到最大值。同時(shí)由于含磺酸基的有機(jī)原料價(jià)格較高，因此會(huì)相應(yīng)增加減水劑的生產(chǎn)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(duì)減水劑的保坍性能起著至關(guān)重要的作用。隨著其鏈長的增長，減水劑分子的側(cè)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(zhì)量的減水劑分子中其他具有高效減水功能的基團(tuán)的含量相應(yīng)降低，其減水性能將減弱。