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聚羧酸系高效減水劑的研究綜述

摘要:概述了聚羧酸系高效減水劑的國內外研究現狀,分析了其減水機理,提出了聚羧酸類高效減水劑在工程應用中存在的技術問題,并對今后的研究發展趨勢作了展望。
  關鍵詞:聚羧酸系高效減水劑;減水機理;應用
  1引言
  目前,工程上對于高性能混凝土的配制需求日益增多,對其要求也越來越嚴格。在配制高性能混凝土時,為了提高混凝土密實性、強度和耐久性,必須降低水膠比。低水膠比將導致混凝土的粘稠度增加,流變性變差,施工困難。解決這一矛盾最有效最現實的途徑就是摻入高效減水劑[1]。因此,研制成本低、綜合效益好的高效減水劑已經迫在眉睫。高效減水劑作為高性能混凝土的重要組成部分,越來越多地受到工程技術人員的重視,其市場前景和應用價值都不可估量[2]。
  傳統的萘系減水劑具有良好的硬化性能及合理的價格,但其保水性、保坍性不夠理想,減水率也尚需進一步提高。20世紀90年代興起新一代減水劑,聚羧酸系高效減水劑,被業內稱為第三代高效減水劑,是目前應用前景最好、綜合性能最優異的減水劑。其減水率高達30%~40%,可使水泥及膠凝材料的性能達最佳狀態;能夠改善混凝土孔結構和密實程度,更好地控制混凝土的坍落度損失、引氣、緩凝和泌水等問題;能與各種類型的水泥、火山灰以及其它摻合料配合使用,并具有較好的相容性,即使在低摻量時,也能使混凝土具有高流動性,并且在低水灰比時具有低粘度及坍落度經時變化小的性能;能增大替代波特蘭水泥的粉煤灰及磨細礦渣的摻加量等。目前,對聚羧酸系高效減水劑的研究已引起了各國的重視并已成為外加劑領域的研究熱點。
  2聚羧酸系高效減水劑的研究現狀
  近年來,在發達國家一些研究者的論文中,出現了許多關于研發具有優越性能的聚羧酸系減水劑的報道,研究內容已從磺酸系超塑化劑改性逐漸移向對聚羧酸系的研究。日本首先于80年代初開發出聚羧酸系高效減水劑,1985年開始逐漸應用于混凝土工程。1995年以后,日本將聚羧酸系減水劑大量應用于高層建筑,對其使用量超過了萘系減水劑,占到高效減水劑的90%。迄今為止,日本是應用聚羧酸系減水劑最多也是最成功的國家,有關方面的專利有十余篇,基本以丙烯酸及馬來酸酐為主,且大多數是在溶劑型體系中合成的。北美和歐洲各國近幾年也推出了各自的聚羧酸類減水劑,有關專利達十余篇,同樣也是在溶劑型體系中完成的。還有研究者對共聚物的改性進行了研究。目前美國正從萘系、密胺系減水劑向聚羧酸系高性能減水劑方向發展,并將其應用于實際工程中。
  在我國,混凝土外加劑的研發只相當于日本上世紀80年代中期水平,而聚羧酸系高效減水劑的研發剛剛起步。由于成本和技術性能問題,國內研制的聚羧酸系減水劑幾乎都未達到實用化階段,只有少量用作坍落度損失控制劑與萘系減水劑復合,用量占減水劑總用量的2%。從國內期刊及學報的相關論文來看,國內對聚羧酸系減水劑產品的研究僅處于試驗研制階段,從減水劑原材料選擇到生產工藝、提高性能、降低成本等諸多方面,還有待進一步改善。
  3聚羧酸系高效減水劑的減水機理
  聚羧酸高效減水劑結構呈梳形,其大分子鏈上一般都接枝不同的活性基團,主鏈上帶有多個活性基團,且極性較強,側鏈也帶有親水性的活性基團。通常認為聚羧酸系減水劑的減水效果關鍵是大分子鏈上的羧基、磺酸基等產生的陰離子效應和中性聚氧乙烯長側鏈的空間阻礙作用,其主要通過立體位阻作用保持水泥粒子的分散。聚羧酸系減水劑分子中含有較多較長的支鏈,當它們吸附在水泥顆粒表層后,可以在水泥表面上形成較厚的立體包層,從而使水泥達到較好的分散效果。同時,聚合物親水性長側鏈在水泥礦物水化產物中仍然可以伸展開,這樣聚羧酸減水劑受到水泥的水化反應影響就小,可以長時間地保持其分散效果,使坍落度損失減小。
  水泥顆粒表面存在靜電荷,部分正電荷被空氣中的自由電荷中和,但負電荷仍然處于不平衡狀態。在沒有加入減水劑時,負電荷被鈣離子層屏蔽,形成所謂的雙離子層。當顆粒間的距離遠遠大于雙離子層間的距離時,靜電屏蔽力占優勢。顯然,中性的顆粒由于表面張力的作用和靜電排斥力的消失而團聚,水泥漿流動性很低。加入減水劑后,吸附在水泥顆粒表面的減水劑大分子鏈可以慢慢減少帶負電粒子附近的正離子的濃度,從而增大了屏蔽層的作用,也增大了粒子間的排斥力的作用范圍。但靜電排斥力仍然存在,并且將顆粒分散開。聚羧酸減水劑能保持水泥漿流動度不損失的主要原因與水泥粒子表面減水劑高分子吸附層的立體排斥力有關,是立體排斥力保持了其分散系統的穩定性。同時,當減水劑降低了表面張力,表面張力導致的粒子間的粘合力也就降低了。
  4聚羧酸系高效減水劑的應用問題
  聚羧酸系高效減水劑之所以可以大幅度減小用水量,機理就在于其可以有效地破壞水泥漿體的絮凝結構,釋放出內部的自由水,即削弱了水泥顆粒與水之間的作用,從這種角度來說,它總是會不同程度地加劇拌合物的泌水和沉降離析,出現粉煤灰上浮現象,這種現象在建筑物的樓板混凝土澆筑過程中尤為突出,也是現今混凝土澆筑后常在表面出現花斑、形成蜂窩麻面、產生沿著箍筋的塑性收縮裂縫等瑕疵的重要原因。聚羧酸系高效減水劑雖然可以依靠一些基團,例如引氣基團的作用,改善漿體的穩定性,但是在表面密實性和外觀要求很高的工程中,還需要復合使用保水性良好的組分。
  近年來,為了減小使用萘系減水劑配制混凝土拌合物造成的坍落度損失,工程技術人員已越來越多地采用將其與聚羧酸系減水劑復合使用的做法,取得了良好的效果,而且復合使用可以避免單用后者時出現的泌水、離析明顯的問題,也更為經濟。聚羧酸系減水劑能否與萘系減水劑復合使用,取決它的原材料和生產工藝。有的聚羧酸系減水劑與萘系減水劑的相容性良好,可以隨意與萘系減水劑復合,而有的聚羧酸系減水劑不僅不能與萘系減水劑復合使用,甚至當用沒有清洗干凈的裝運過摻有聚羧酸系減水劑拌合物的罐車,繼續裝運摻萘系減水劑的拌合物時,就會出現明顯的坍落度損失,以至出現卸車困難的問題。所以復合使用前一定要進行兩種減水劑的相容性試驗。
  5結論
  現今,聚羧酸類減水劑已成為世界性的研究熱點,也引起了國內同行的重視。隨著科技的發展,人們對生活環境的要求不斷提高,對混凝土的需求及其性能的要求也在不斷提高。因此,對具有高減水率和高保坍性能的高性能減水劑的需求量也會隨之增大。聚羧酸系減水劑將向著高性能、多功能化、綠色化、國際標準化的方向發展,推廣使用性能優異的聚羧酸系超塑化劑成為當今時代的一個必然趨勢。因此,科技工作者將更加注重聚羧酸系高性能減水劑的研究和應用,更多地從混凝土的強度、工作性、耐久性、價格等方面綜合考慮其開發潛能。可以預見,在不久的將來,聚羧酸系高效減水劑將會在我國得到廣泛的應用,促進我國混凝土材料向高技術方向發展。

 



post by 2013-10-10

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