聚羧酸高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

陳鐵海

（甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司，蘭州730000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)混凝土外加劑的研究與生產(chǎn)已朝著高性能、無(wú)污染方向發(fā)展[1]。目前，我國(guó)建筑行業(yè)使用的混凝土減水劑有木質(zhì)素磺酸鈉減水劑、萘系高效減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、脂肪族減水劑、聚羧酸高性能減水劑等。其中，聚羧酸減水劑因?yàn)樯a(chǎn)工藝流程環(huán)保，全程無(wú)污染物排放，而且產(chǎn)品減水率高、摻量少、坍落度保持好等優(yōu)異性能，成為工程建設(shè)領(lǐng)域中使用率最高的減水劑品種。

2 聚羧酸系減水劑的起源

日本觸媒公司于1981 年開(kāi)始研制聚羧酸高性能減水劑，并取得了很大的進(jìn)步[2]，在20 世紀(jì)80 年代后期就已經(jīng)將產(chǎn)品投入了市場(chǎng)，且獲得工程領(lǐng)域不錯(cuò)反響。美國(guó)聚羧酸減水劑的發(fā)展晚于日本，目前正從萘系減水劑、脂肪族減水劑向聚羧酸高性能減水劑發(fā)展和過(guò)渡。

國(guó)內(nèi)對(duì)聚羧酸減水劑的研究起步較晚，從20 世紀(jì)90 年代末期，江蘇建科院、上海建科院等單位開(kāi)始進(jìn)行聚羧酸減水劑的相關(guān)研究工作。但是受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平、原材料、產(chǎn)品價(jià)格等種種因素的限制，市場(chǎng)使用率十分低。2011 開(kāi)始，全國(guó)各地陸續(xù)接受聚羧酸減水劑，并在中等強(qiáng)度和低強(qiáng)度混凝土中大量應(yīng)用，目前，聚羧酸高性能減水劑在產(chǎn)量、應(yīng)用范圍上已經(jīng)逐步接近甚至超過(guò)了萘系高效減水劑，成為名副其實(shí)的行業(yè)主流減水劑[3]。

3 聚羧酸減水劑的合成工藝

從目前國(guó)內(nèi)外發(fā)表的研究論文和研究成果來(lái)看，聚羧酸高性能減水劑的生產(chǎn)合成工藝主要分為2 大類(lèi)，一類(lèi)是聚酯型合成工藝，一類(lèi)是聚醚性合成工藝。

3.1 聚酯型減水劑

聚酯型減水劑的原材料主要為大分子酯類(lèi)（MPEG），不飽和酸類(lèi)，如聚氧乙烯類(lèi)大單體、馬來(lái)酸酐等。聚酯合成工藝主要分為2 大步：（1）制備活性中間體，在102℃反應(yīng)溫度下，聚氧乙烯類(lèi)大單體和馬來(lái)酸酐在烯丙基磺酸鹽類(lèi)的引發(fā)作用下，生成不穩(wěn)定的活性中間體；（2）馬上將活性中間體轉(zhuǎn)移至新的反應(yīng)釜中，將提供側(cè)鏈的丙烯酸酯滴加到活性應(yīng)中間體體系中，經(jīng)約4h 的聚合反應(yīng)，最后滴加液堿調(diào)節(jié)體系pH 至弱酸性，以保持產(chǎn)品的穩(wěn)定。

聚酯型聚羧酸減水劑生產(chǎn)流程長(zhǎng)，而且中間體性質(zhì)過(guò)于活潑，體系穩(wěn)定性難以保證，很容易在第二步嫁接側(cè)鏈反應(yīng)時(shí)發(fā)生暴聚，出現(xiàn)報(bào)廢產(chǎn)品。假如反應(yīng)正常終止，成品的減水性能和保坍性能均很一般。鑒于上述原因，聚酯型減水劑生產(chǎn)工藝目前已經(jīng)被市場(chǎng)逐步淘汰。

3.2 聚醚性減水劑

聚醚性減水劑的主要原材料為大分子醚類(lèi)（HPEG 或者TPEG），例如，聚乙二醇單甲基醚，在約65℃的反應(yīng)溫度下，向體系滴加提供側(cè)鏈的丙烯酸，同時(shí)在反應(yīng)初期滴加連引發(fā)劑，根據(jù)性能要求，在反應(yīng)中或者反應(yīng)行將結(jié)束前滴加阻聚劑，最后加入液堿調(diào)節(jié)體系pH 至弱酸性（pH≈6.5），以保證體系穩(wěn)定，產(chǎn)品可以長(zhǎng)時(shí)間存放（3～6 個(gè)月）。

隨著聚羧酸減水劑上游單體技術(shù)進(jìn)步，以及新型引發(fā)劑和調(diào)節(jié)劑的出現(xiàn)，目前聚醚反應(yīng)體系可以做到常溫反應(yīng)（25～35℃），即在常溫情況下（無(wú)須蒸汽加熱或者電加熱套加熱），將大單體溶于反應(yīng)釜中，直接滴加不飽和酸、引發(fā)劑、調(diào)節(jié)劑，開(kāi)動(dòng)反應(yīng)釜攪拌裝置即可，反應(yīng)時(shí)間約為3.5h，大大縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，而且產(chǎn)品性能完全滿(mǎn)足要求。

4 聚羧酸高性能減水劑的發(fā)展現(xiàn)狀

聚羧酸高性能減水劑的應(yīng)用和發(fā)展使得減水劑生產(chǎn)廠家和減水劑使用廠家積累了大量的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，與此同時(shí)也遇到了各種各樣的問(wèn)題。比如，生產(chǎn)廠家為了追求利潤(rùn)，采用性能一般的大單體原材料，生產(chǎn)出的聚羧酸減水劑產(chǎn)品性能單一；如單一地考慮減水率的效果，而輕視了保坍性能；或者單一地考慮保坍性能，而輕視了減水率。針對(duì)以上問(wèn)題，今后聚羧酸減水劑的發(fā)展需要予以綜合考慮。

1）從上游加強(qiáng)聚羧酸減水劑大單體的研究工作，對(duì)于聚羧酸高性能減水劑生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，可以豐富大單體原材料的品種，如減水型大單體、綜合性大單體等。根據(jù)客戶(hù)不同的產(chǎn)品性能需求，可以生產(chǎn)出減水型產(chǎn)品、保坍型產(chǎn)品以及2 種性能兼而有之的綜合產(chǎn)品。

2）改進(jìn)聚羧酸減水劑的合成工藝，充分發(fā)揮聚羧酸減水劑分子鏈可以設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化聚羧酸減水劑的產(chǎn)品性能，使聚羧酸減水劑既具有良好的減水率，又具有良好的保坍性。

3）細(xì)化聚羧酸減水劑產(chǎn)品類(lèi)型，可以考慮生產(chǎn)出高減水率產(chǎn)品和高保坍性產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)際工況，例如，現(xiàn)場(chǎng)使用的水泥品種、粉煤灰種類(lèi)、砂石料含泥量等，將2 種類(lèi)型的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)合使用。

4）關(guān)注聚羧酸減水劑復(fù)配工作的研究，根據(jù)實(shí)際工況，如氣溫、凝結(jié)時(shí)間等不同的要求，進(jìn)行輔料（俗稱(chēng)小料）與聚羧酸減水劑產(chǎn)品的復(fù)配工作。如葡萄糖酸鈉、蔗糖、羥甲基纖維素醚、十二烷基苯磺酸鈉等。

5 聚羧酸類(lèi)減水劑的應(yīng)用

5.1 行業(yè)應(yīng)用的促進(jìn)

聚羧酸高性能減水劑最初大規(guī)模應(yīng)用是在鐵路建設(shè)行業(yè)，后來(lái)在公路行業(yè)和水利建設(shè)行業(yè)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，上述幾大行業(yè)的業(yè)主單位（投資主體）均為國(guó)字號(hào)單位如鐵道部和后來(lái)的鐵路總公司；各個(gè)省的交通廳等；相應(yīng)的施工單位也均為行業(yè)內(nèi)的國(guó)字號(hào)單位，如中國(guó)鐵建、中國(guó)建筑等。業(yè)主和施工單位的目標(biāo)一致，就是要做好工程質(zhì)量，甚至各個(gè)行業(yè)還各自制定了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如入圍鐵路行業(yè)，需要聚羧酸減水劑生產(chǎn)單位進(jìn)行行業(yè)認(rèn)證，即著名的CRCC 認(rèn)證體系。

5.2 民用市場(chǎng)的發(fā)展

得益于聚羧酸高性能減水劑在行業(yè)工程中的好口碑，也由于聚羧酸減水劑自身性?xún)r(jià)比的提高，房地產(chǎn)行業(yè)引來(lái)了黃金十年的發(fā)展期，國(guó)家出臺(tái)政策禁止現(xiàn)場(chǎng)拌和混凝土，各地民商品混凝土攪拌站如雨后春筍般出現(xiàn)了。很快，聚羧酸減水劑的產(chǎn)量和使用范圍均達(dá)到甚至超過(guò)了萘系高效減水劑，坐穩(wěn)了混凝土減水劑的頭把交椅。

6 結(jié)語(yǔ)

聚羧酸高性能減水劑由于其優(yōu)良的性能和綠色環(huán)保的特性，是混凝土減水劑以后的發(fā)展方向。預(yù)計(jì)聚羧酸高性能減水劑行業(yè)會(huì)穩(wěn)中有進(jìn)，產(chǎn)量和應(yīng)用水平也會(huì)繼續(xù)維持在較高的水平。在創(chuàng)新理念的驅(qū)動(dòng)下，繼續(xù)優(yōu)化聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)，從科技進(jìn)步中，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品性能，是聚羧酸減水劑發(fā)展的根本所在。