新型聚羧酸系超塑化剂与水泥相容性初探

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摘要: 通过调整石膏含量和形态，考察水泥中调凝石膏对水泥与聚羧酸系超塑化剂相容性的影响，提出可以通过对聚羧酸系超塑化剂进行分子结构改性，来提高水泥和聚羧酸系超塑化剂之间的相容性。

关键词: 聚羧酸系；超塑化剂；水泥；石膏；相容性

中图分类号: TU528.042.2 文献标识码: A 文章编号: 1001- 702X01- 0056- 04

0 前言

随着现代建筑设计与施工技术的发展，要求混凝土向高强、轻质及施工流态化方向发展。高性能超塑化剂作为一种化学外加剂，已成为配制高性能混凝土必不可少的组份，它可以最大限度地控制混凝土的用水量，提高混凝土的耐久性，克服普通混凝土坍落度损失过快的缺点，缩短凝结时间等。

然而，混凝土外加剂在经历了快速发展及大规模推广应用后，始终困扰业内技术人员的难题依然是外加剂与水泥品种的适应性问题。几乎所有品种的外加剂与水泥之间都存在适应性问题。以目前使用最为普遍的减水剂为例，当其与水泥产生不适应性的时候，会非常明显地表现出流动性变差、减水率降低、坍落度损失过快等，而至今还没有一种通用减水剂能适应所有的国产水泥品种。

聚羧酸系减水剂作为第三代新型混凝土高效减水剂，因其相对于萘系高效减水剂具有高减水率、低收缩、高强度、低泌水和坍落度损失小等优点，其生产和应用技术发展很快。目前，国内从事聚羧酸外加剂研发、生产、供货的单位有几十家，主要产品达十几种。北京、上海、天津、广州等城市的许多预拌混凝土搅拌站，都已经应用或正在尝试使用聚羧酸外加剂配制混凝土。起初，聚羧酸外加剂主要用于配制高强、自密实、高流态等特种和高性能混凝土。随着聚羧酸外加剂生产和应用技术不断提高，产品逐渐系列化，成本逐渐降低，聚羧酸外加剂同样可用于配制中低强度的高性能混凝土。随着聚羧酸外加剂的推广应用，对其性能特点的认识也不断深化，即聚羧酸外加剂同样也存在与混凝土中的其它材料的适应性问题。了解不同聚羧酸外加剂产品与不同水泥品种的相容性特点，对正确使用和充分发挥聚羧酸外加剂的性能有重要意义。

水泥与超塑化剂之间的相互作用是一种非常复杂的物理化学现象，必须做严谨的分析。只有充分了解水泥、熟料以及超塑化剂的物理和化学性能，才可以分析这种水泥与超塑化剂作用下浆体的流变行为。而目前国内对水泥和高效减水剂之间适应性的研究还很少，一般都是根据现场情况进行调整，因此，开展此方面的研究对高效减水剂的合理使用及其推广应用意义重大。

1 新型羧酸系梳形共聚物超塑化剂的分子结构特征

羧酸系梳形共聚物根据其主链结构的不同可以分为2类[1- 2]：即I 类以丙烯酸或甲基丙烯酸为主链，接枝不同侧链长度的聚醚；II 类以马来酸酐为主链接枝不同侧链长度的聚醚。其中I 类又分为:主链上带有COO-基团，聚氧乙烯侧链以COO酯键相连；主链上带有COO-基，而PEO 侧链以CON 酰亚胺键形式相连[3]；主链上带有COO-基团外，还带有磺酸根基团，而PEO 侧链仍以COO 酯键形式相连[4- 5]。II类分为：马来酸酐和烯丙醇醚的共聚物[6- 7]、苯乙烯和马来酸酐共聚物与单甲基聚醚的接枝物[7]。这些梳形共聚物共同的结构特征是：主链上都含有羧酸基吸附基团，侧链上链接有PEO 提供空间位阻，不同长度的聚醚侧链或长短不同的聚醚侧链进行组合，在水泥颗粒上的吸附行为就不同，提供的位阻效应也不同，其分散性能也截然不同。

正是由于羧酸系梳形共聚物化学结构上的多变性，高性能化的潜力大，才引起了世界各国学者的广泛关注。这些聚合物可以通过改变主链化学结构、侧链聚醚种类和长度、主链分子量大小及分布、离子基团含量来实现聚羧酸外加剂的高性能化。图1 表示聚醚侧链长度不同的梳形共聚物分子结构图像[8]，短侧链的梳形共聚物空间位阻作用较弱，分散性能较差，但保坍性能优异；长侧链聚醚的梳形共聚物空间位阻效应强，分散效果好，但流动度损失快。长短不同的侧链进行组合可以改变其在水泥颗粒界面的行为，既能显示出较高的初始流动性，也具有良好的坍落度保持能力[5]。

2 外加剂与水泥适应性的主要影响因素

2.1 水泥的矿物组成

水泥的矿物组成因生产厂家在原材料、生产工艺等方面存在差别而有所不同。我国大中型水泥厂水泥熟料的主要成分波动很大，C3S 含量可以相差1 倍以上，C3A 含量则可能相差6 倍。就是同一厂家的水泥熟料其矿物成分也会有所波动，据某年调查，C3S 波动在±2.5%以内的厂家有50%以上，C3A波动在±1%以内的厂家有70%以上。陈建奎[9]通过对水泥熟料矿物组分C3S、C2S、C3A、C4AF 对木钙分子的等温吸附的研究表明，他们对木钙减水剂的吸附程度为：C3A>C4AF>C3S>C2S，可见，铝酸盐相矿物对木钙的吸附程度大于硅酸盐相矿物。由于C3A 对木钙的选择吸附，使得吸附量显著增加，这样就会降低减水剂的减水作用。因此，在掺量相同的情况下，C3A、C4AF 含量较高的水泥浆体中，减水剂的分散效果就较差，C3A含量低而C3S 含量高的水泥对木钙类减水剂的适应性好。四大矿物组分对萘系和聚羧酸系减水剂的吸附程度有待进一步研究。

2.2 水泥中的调凝石膏

在粉磨水泥熟料时，一般都掺加一定量的石膏共同磨细，在此，石膏起调整水泥凝结时间的作用。由于粉磨过程中，磨机内温度升高，使一部分二水石膏脱去部分结晶水转变为半水石膏，或脱去全部结晶转变为无水石膏。另外，有些水泥厂为节省生产成本，往往采用硬石膏或工业副产品石膏代替二水石膏作为水泥调凝剂，按照有关水泥标准进行产品检验时一般区别不大。但当掺外加剂时，有时却表现出大相径庭的塑化效果，尤其是以无水石膏作为调凝剂的水泥遇到木钙、糖钙减水剂时，会产生严重的不适应性，不仅得不到预期的减水效果，而且往往会引起流动度损失过快甚至异常凝结。