聚羧酸高性能減水劑的作用機理分析及工程應用

張 敏 （安徽和達工程咨詢有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 前言

混凝土外加劑的使用已有近七十年的時間，在美國、英國、德國和日本等發(fā)達的工業(yè)國家，混凝土外加劑的使用率高達80%左右。目前，我國的混凝土外加劑的發(fā)展具有起步晚、使用率低以及科技含量低等特點。隨著我國基礎設施（公路、市政、鐵路、大壩和房建等）的大規(guī)模建設，混凝土使用數(shù)量十分龐大。隨之，混凝土外加劑的發(fā)展亦進入高速階段。

混凝土外加劑是一種在混凝土攪拌之前或拌制過程中加入的且用以改善混凝土物理力學和工作性能的材料。混凝土外加劑的種類較多，使用具有相應功能的的外加劑，目的是為了改善混凝土在未使用該功能外加劑前的該功能不足或者優(yōu)化混凝土的整體性能。

混凝土減水劑的使用在混凝土外加劑的使用過程中最為廣泛，占到混凝土外加劑使用量的80%左右。在混凝土生產(chǎn)過程中通過摻入一定水泥比例的減水劑可以在減少混凝土單位用水量的同時還可以有效地增加混凝土的坍落度，提高混凝土的流動性，且改善混凝土的泌水和提高混凝土的保水性能。鑒于減水劑對混凝土基本工作性能的明顯改善，混凝土減水劑成為相關從業(yè)人員的研究對象。

針對混凝土中不同的水泥品種和等級，市場上的減水劑的種類繁多。隨著對混凝土施工技術要求的提高，聚羧酸系減水劑逐漸在減水劑市場中占有很高的比例。因此，現(xiàn)將聚羧酸系減水劑的分散機理、減水效果影響因素及使用中存在的問題進行展開分析，有利于工程技術人員對聚羧酸減水劑的合理選擇和正確使用。

1 聚羧酸系減水劑性的作用機理

聚羧酸系減水劑具有摻量低、高減水率、強分散性、和易性好、分子結(jié)構(gòu)可變性強以及綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點[1]。鑒于聚羧酸系減水劑所具有的明顯的優(yōu)點，許多相關專業(yè)的研究者對聚羧酸系減水劑展全方位的研究，包括聚羧酸系減水劑的作用機理、工程應用、存在問題以及改性方法等內(nèi)容。參照對傳統(tǒng)減水劑（萘系和三聚氰胺系等減水劑）研究方式，將聚羧酸系減水劑的作用機理的內(nèi)容研究列為熱點，也一直是業(yè)內(nèi)專家學者內(nèi)容研究的重點及難點。

傳統(tǒng)的水溶性樹脂類減水劑作用機理已梳理清晰，形成較為統(tǒng)一的以DLVO理論為基礎的靜電斥力的觀點。目前，對聚羧酸系減水劑作用機理的研究觀點并未統(tǒng)一，主要有下面三種認知。

很多專家學者認為聚羧酸系減水劑的高分散性主要是由于空間位阻效應[2]。主要因為吸附了聚羧酸系減水劑的水泥顆粒Zeta電位很低，但卻在減水劑極低的摻量下表現(xiàn)出高的分散性能。顯然傳統(tǒng)減水劑的靜電斥力理論可能無法合適地解釋聚羧酸系減水劑的高分散性。因此，學者通過原子力顯微鏡和電位儀等研究了萘系減水劑和聚羧酸系減水劑的作用機理，認為聚羧酸系減水劑的分散機理主要由其支鏈產(chǎn)生的空間位阻效應產(chǎn)生，靜電斥力相對于空間位阻效應基本可以被忽略。之后有學者通過設計聚羧酸分子的吸附模型，研究比較了不同體系的靜電斥力勢能、空間位阻勢能和范德華力勢能，發(fā)現(xiàn)空間位阻效應在分散水泥顆粒中起主導作用。

基于上述聚羧酸系減水劑的空間位阻效應的作用機理理論，研究者提出側(cè)鏈越長分散性能應該會越高的觀點。然而，在對聚羧酸系減水劑的研究中發(fā)現(xiàn)，部分短側(cè)鏈共聚物也顯示出了良好的分散性能，上述結(jié)論表明僅用空間位阻效應理論并不能夠完全解釋聚羧酸系減水劑在水泥體系中的作用機理。對于聚羧酸系減水劑的側(cè)鏈長度較短且主鏈上離子基團含量較高的梳形共聚物，其產(chǎn)生的靜電排斥不能夠被忽略。此外，通過理論計算考察不同側(cè)鏈長度對總位能曲線的影響，在側(cè)鏈吸附密度相同的情況下，側(cè)鏈越長，空間位阻效應越大，當側(cè)鏈超過了一定程度后，總位能增加的速率變慢，由于側(cè)鏈增大到一定程度后，分子構(gòu)象會發(fā)生蜷曲，即側(cè)鏈分子量增大，空間位阻效應并沒有相對應地增強。

此外，也有專家學者認為：水泥粒子的分散作用主要是由于減水劑吸附在水泥粒子表面產(chǎn)生的靜電斥力、高分子吸附層的相互作用產(chǎn)生的空間位阻效應及水分子的潤濕作用而引起的。

由此可見，聚羧酸系減水劑在水泥體系中的作用機理目前已經(jīng)證實不是用一種理論能夠完全解釋的，必須考慮多種作用機理進行綜合分析。

2 聚羧酸系減水劑性能效果影響因素分析

聚羧酸系減水劑在混凝土中的性能效果穩(wěn)定性很差，諸多因素均會對聚羧酸減水劑的性能效果產(chǎn)生較大的影響。如外部環(huán)境、混凝土本身的組成及成分含量。外部環(huán)境因素多，控制難度較大。因此，聚羧酸系減水劑性能效果的影響因素分析從混凝土材料組成及含量進行討論。

已有的試驗數(shù)據(jù)表明，隨著混凝土中水泥用量的增加，聚羧酸系減水劑的減水率增大，提高的幅度近似線性關系，且聚羧酸系減水劑引起混凝土的干縮量較小?；诰埕人嵯禍p水劑的試驗結(jié)論和規(guī)律，聚羧酸系減水劑能夠?qū)λ嘤昧枯^大的混凝土有效地減小用水量，比如應用到水灰比低的高強混凝土領域。

聚羧酸系的減水劑的效果亦受到砂率和顆粒級配的影響。其原因為砂率和顆粒級配的骨料的含量不同，其吸水量亦不同，并非為聚羧酸系減水劑與骨料中的某成分發(fā)生化學反應造成分子結(jié)構(gòu)組合的優(yōu)化的原因，造成的需水量減少。

在減水劑的摻量范圍內(nèi)聚羧酸系減水劑摻量影響其減水效果是最直接的影響因素。水泥顆粒吸附聚羧酸系減水劑形成梳狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，該結(jié)構(gòu)在空間上的形態(tài)決定了水泥的高分散性和流動性。從前文對聚羧酸系減水劑的作用機理可以解釋這條結(jié)論。

3 工程應用中存在的問題

聚羧酸系減水劑從研制成功以來已有近四十年時間。目前，聚羧酸系減水劑處于快速發(fā)展階段。隨著聚羧酸系減水劑在工程應用領域逐步拓寬，工程技術人員亦發(fā)現(xiàn)聚羧酸系在工程應用方面存在一些技術問題[3-5]。

聚羧酸系減水劑是由幾種主要原材料合成，主要原材料的純度會直接影響到合成產(chǎn)物聚羧酸系減水劑功能的穩(wěn)定性。然而聚羧酸系減水劑中的主要原材料（烯丙基聚乙二醇醚和甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯等）的生產(chǎn)的技術要求高，純度不易控制。

聚羧酸系減水劑對溫度和用水量都十分敏感。聚羧酸系減水劑對溫度敏感的表現(xiàn)：①溫度較低時應用到混凝土工程中會出現(xiàn)緩釋現(xiàn)象；②溫度較高時，聚羧酸系減水劑會造成混凝土坍落度損失過快。用水量對聚羧酸系減水劑造成問題需要專業(yè)試驗人員多次進行配合比設計的調(diào)整來解決。

傳統(tǒng)減水劑可以通過復合其它外加劑來解決完善混凝土某些特定功能的要求。然而，聚羧酸系減水劑與其他混凝土外加劑的相容疊加作用較差，聚羧酸系減水劑與其它外加劑有效地功能疊加成為聚羧酸系減水劑亟待解決的問題。

本節(jié)闡述了聚羧酸系減水劑在工程應用中常見地問題和技術難點。同時，這些存在的問題也將引導聚羧酸系減水劑的發(fā)展和研究方向。

4 工程案例應用分析

針對聚羧酸系減水劑在工程應用中存在的諸多問題，工程技術人員通過外加劑母液復配和合成途徑進行改善和解決，下面對聚羧酸系減水劑在工程案例中的成功應用進行闡述。

山東濟南市萬象城主體為混凝土結(jié)構(gòu)，對C60的商品混凝土的要求是高坍落度，且由于運距原因要求3h內(nèi)坍落度基本無損失?；炷翙z測專業(yè)技術人員通過將高保坍聚羧酸減水劑BT-C與普通的聚羧酸減水劑（PC-XM）進行比例復配。得到BT-C:PCXM=3;7復配的聚羧酸減水劑，能夠有效地解決長時間高坍落度的技術問題[6]。

合肥地鐵隧道管片生產(chǎn)商通過添加聚羧酸減水劑母液復配得到的聚羧酸減水劑使隧道管片外觀質(zhì)量合格且強度滿足設計要求產(chǎn)品[7]；同樣通過母液配制方式得到的聚羧酸高性能減水劑成功應用到杭州灣跨海大橋和寧波舟山港非通航橋橋墩等海工混凝土中，有效地保證橋墩的強度和耐腐蝕性[8]。

目前，各種通過復配或合成方式得到的聚羧酸高性能減水劑廣泛地應用到高鐵道路、橋梁、大壩和水電站等混凝土質(zhì)量和性能要求高的工程領域。

5 結(jié)語

聚羧酸系減水劑是一種新型綠色建筑材料，該減水劑的高減水率和低收縮等優(yōu)點決定了在混凝土工程領域的前景。目前在我國，聚羧酸系減水劑屬于快速發(fā)展和占領減水劑市場的階段，聚羧酸系減水劑在工程應用中存在的關鍵技術也在逐步地掌握和優(yōu)化。