第三代混凝土减水剂———聚羧酸系高性能减水剂的研究

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　　近几十年来，水泥混凝土生产与施工技术的发展很大程度上取决于减水剂生产与应用技术的发展水平。高效减水剂的发展虽然只有60年～70年的历史，但已经成为混凝土材料向高科技领域发展的关键技术。近几年发展起来的聚羧酸系高性能减水剂被国内外公认为是第三代减水剂，这种高性能减水剂无论从生产过程、原材料，还是其性能、分子结构都与第二代减水剂具有本质上的不同。聚羧酸系高性能减水剂是今后混凝土外加剂技术发展的方向，其广泛地应用会对混凝土及其制品生产和质量产生重要的影响。

　　聚羧酸系高性能减水剂的性能特点

　　聚羧酸系高性能减水剂是性能上更加优异的新型减水剂，具有萘磺酸盐甲醛缩合物和磺化三聚氰胺甲醛树脂高效减水剂所不可比拟的优点：低掺量与高性能———掺量为胶凝材料用量的0.2%~0.3%时，减水率可高达25%~35%；流动性保持能力优异———水泥净浆流动度可以在2小时内基本无损失，3~4小时仍具有流动性；适应性好———对各种水泥和混合材料的适应性优于传统的减水剂；生产过程无污染———合成过程中不使用甲醛等对环境有污染的材料；性能的可设计性强———可实现对聚羧酸系高性能减水剂的分子结构与性能的设计；原材料选择范围广———可选择不同种类的共聚单体，提高生产管理的灵活性；形成系列化产品———根据性能特点和使用性能要求，形成系列化具有不同性能特点的产品；提高混凝土制品和构件的质量———由于聚羧酸系高性能减水剂含碱量低，收缩小，可综合改善混凝土制品的外观、力学性能和耐久性；绿色环保———使用聚羧酸类减水剂，可用更多的矿渣或粉煤灰取代水泥，从而能使成本降低。
　　聚羧酸系高性能减水剂优异的性能是由其特殊的分子结构决定的：聚羧酸系高性能减水剂的分子结构呈梳形，其特点是在主链上带有较多的活性基团，这些基团有磺酸基团，羧酸基团，羟基基团，侧链是较长的聚氧烷基烯基团-m-R等。各基团对水泥的分散作用发挥不同的作用，一般认为，带有负电磺酸基和羧酸基可以吸附到水泥颗粒表面，起到锚固作用，也起到一定的静电排斥作用。长侧链在溶液中伸展起到较强的空间位阻作用，空间位阻作用对水泥颗粒的分散作用较强，且对电解质的影响不像静电作用那样敏感，因此聚羧酸系高性能减水剂具有很好的分散作用，对水泥品种的适应性也比较好。

　　聚羧酸系高性能减水剂分子结构与性能的关系

　　常用的聚羧酸系减水剂分可为两大类，一类是以马来酸酐为主链接枝不同的聚氧乙烯基或聚氧丙烯基支链的接枝共聚物；另一类以甲基丙烯酸为主链接枝EO或PO支链聚合物。此外，也有烯丙醇类为主链接枝EO或PO支链。

　　聚羧酸系列减水剂的分子结构设计是在分子主链或侧链上引入强极性基团羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等，使分子具有梳形结构。分子量分布范围一般为10000~100000，比较集中于50000左右。

　　聚合物所带官能团如羧基、磺酸基和聚氧乙烯基的数量以及侧链的链长、主链聚合度等影响聚羧酸系减水剂对水泥粒子的分散性。由于分子中同时有羧基和酯基，使其既可以亲水，又具有一定的疏水性。由于聚羧酸系列具有羧基，同萘系减水剂一样，DLVO理论仍适用。羧基负离子的静电斥力对水泥粒子的分散有贡献。同样，相对分子质量的大小与羧基的含量对水泥粒子的分散效果有很大的影响。由于主链分子的疏水性和侧链的亲水性以及侧基的存在，也提供了一定的立体稳定作用，即水泥粒子的表面被一种嵌段或接枝共聚物所稳定，以防发生无规则凝聚，从而有助于水泥粒子的分散。它的稳定机理是所谓的“空间稳定理论”。

　　业内专家廖国胜等人认为，在减水剂分子结构中，羧基含量的增加有利于提高减水剂的减水率和保坍性能。但过高减水剂的合成难以控制，分散性也明显下降。而磺酸基的增加，有利于提高其减水率，但由于主链接枝能力有限，磺酸基的含量趋于饱和，减水剂的分散性能也将达到最大值。同时由于含磺酸基的有机原料价格较高，因此会相应增加减水剂的生产成本；酯基含量的增加有利于减水剂保坍性能。但随着酯基含量的提高，减水剂的引气将急剧增加，气泡体积迅速增大，反而不利于其保坍作用。聚氧乙烯链的长度对减水剂的保坍性能起着至关重要的作用。随着其链长的增长，减水剂分子的侧链长度增加，水泥浆体和混凝土的黏聚性增加，减水剂的保坍性能迅速提高。但链长超过一定值，单位质量的减水剂分子中其他具有高效减水功能的基团的含量相应降低，其减水性能将减弱。