淺談聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的應用性能

裴洪濤 1 楊利民2

西安市地下鐵道有限責任公司 710000 西安

陜西省建筑科學研究院 710082 西安

     前言

     減水劑是指由不飽和單體和其他單體共聚而成，用于水泥混凝土中具有減水率高、坍落度損失小、適量引氣、質量穩定、能提高混凝土耐久性和使用壽命的外加劑，具有摻量低、適應性好、環保無污染特點。由于該產品的綜合性能優異，因此被稱為第三代減水劑，它的作用機理也有別于常用高效減水劑。但由于聚羧酸減水劑敏感性和適應性差，加之各地原材料組分的差異，使其推廣應用受到極大的限制。本文結合本地區混凝土原材料情況及工程實踐，從減水劑機理、水泥、摻合料、骨料的適應性、生產控制、施工養護等方面分析其應用性能。

     1 、聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的作用機理

    聚羧酸高效減水劑是一種高分子共聚物，其主鏈上常含有羧基、羥基、磺酸基、聚氧化乙烯基等官能團。這些不同的官能團在與水泥顆粒接觸時表現出各種性能，如破壞水泥絮凝結構，分散水泥顆粒、延緩水泥顆粒的水化、引氣等作用，還可以改變混凝土拌合物及水泥砂漿的和易性。其最主要的作用就是分散性能。由于聚羧酸高效減水劑的分散性能好，減水率可達40%以上。其對水泥顆粒的分散機理包括幾個方面：

     （1）空間位阻作用

     聚羧酸高效減水劑的分子上側鏈基團提供了較強的空間斥力，吸附了減水劑分子的水泥顆粒表面，形成了有一定厚度的聚合物分子吸附層。當水泥顆粒相互靠近時，顆粒之間產生斥力作用，靠的越近，斥力越大。正是由于這種斥力作用，水泥顆粒之間相互排斥而滑動，這就增大了水泥凈漿的流動性。

     （2）靜電斥力作用

     減水劑添加到水泥凈漿后，定向吸附在水泥顆粒表面，其部分極性基團指向液相。由于親水極性基團的電離作用，使水泥顆粒之間產生靜電斥力，水泥顆粒絮凝結構打開，釋放出絮團中的自由水，從而有效地增大了混凝土拌合物的流動性。聚羧酸減水劑分子中，帶有磺酸根離子、羧酸根離子(-COOH)、羥基(-OH)和醚鍵(-O-)等，加強了吸附減水劑顆粒間的靜電斥力作用。其對水泥顆粒的分散減水機理模型。

     （3）降低水泥顆粒固液界面能

     聚羧酸高效減水劑也是表面活性劑，在固液界面上具有很強的吸附能力，能夠降低水泥顆粒固-液界面能，提高水泥顆粒的分散。

     （4）水化膜潤滑及潤濕作用

     聚羧酸高效減水劑的分子主鏈上含有較強的極性基團和水分子形成氫鍵，在水泥顆粒表面形成一層穩定、有一定機械強度的水化膜。水化膜的形成可破壞水泥顆粒的絮凝結構，釋放其中的自由水，使水泥顆粒充分分散，同時對混凝土拌合物內部物質相對運動具有潤滑作用，使混凝土拌合物的流動性增大。

     （5）引氣隔離“滾珠”作用

     聚羧酸減水劑分子中含有大量的羥基、羧基及醚基等極性基，這些極性基有較強的“液－氣”界面活性，聚羧酸高效減水劑吸附在水泥顆粒表面后，能顯著降低液氣界面張力，具有一定的引氣作用。摻入混凝土拌合物中，能吸附在液氣界面上，形成許多微小氣泡。聚羧酸減水劑的分子定向排列在氣泡的液氣界面上，使氣泡表面形成一層水化膜。氣泡與氣泡之間、氣泡與水泥顆粒之間均產生靜電斥力，對水泥顆粒產生隔離作用，阻止水泥顆粒凝聚。另外，氣泡的“滾珠”形態和浮托作用，也有助于混凝土拌合物內部物質間的相對滑動。

     2、聚羧酸減水劑的特點

     （1）聚羧酸減水劑的引氣性

     聚醚是合成聚羧酸減水劑大分子的一個長側鏈，在混凝土中其含量的大小會影響含氣量的高低。從混凝土性能上看，適量的引氣可改善混凝土的流動性、可泵性、保水性及耐久性。但過量的引氣對混凝土不但達不到上述改善其強度的作用，反而會因含氣量過高、氣泡過大而降低其強度。其解決的措施一是減水劑與消泡劑復配，雖然消泡劑的種類很多，但與聚羧酸減水劑相容的卻很少，消泡劑總是從水中分離出來并漂浮在表面，這種外加劑的不均勻性導致了混凝土的不可預測性；措施二是在合成時引入適當的物質嵌段，可有效消除其引氣作用。有資料表明：采用一種具有高反應性基團的物質與具有消泡功能的嵌段聚醚發生化學反應，再利用其余的活性羧基與帶有雙鍵的丙烯酸類單體進行接枝反應，從而制得一種具有消泡功能的大單體組分，后與其他組分共聚合，從而得到儲存十分穩定的高效減水劑，而且可以調整功能性組分的比例來滿足不同混凝土對含氣量的要求。

     （2）聚羧酸減水劑與其它外加劑的相容性

     傳統的減水劑，如木質素磺酸鹽減水劑、萘系高效減水劑、密胺系高效減水劑、氨基磺酸鹽高效減水劑以及脂肪族高效減水劑，可以彼此間復配使用，可滿足不同工程的特殊配制要求，獲得更好的經濟性。這些減水劑復配使用能夠得到疊加效果，而且這些減水劑的溶液都可以互溶（除木質磺酸鹽減水劑與萘系減水劑互溶產生部分沉淀但不影響使用效果外）。而聚羧酸減水劑與其他品種減水劑復配往往不能互溶或互溶后沒有疊加效應，有時還會使摻加聚羧酸減水劑的混凝土流動性降低，或保坍性降低，或增加了混凝土的泌水離析。

     （3）聚羧酸減水劑的減縮抗裂性

     混凝土收縮是指因內部和表層濕度的變化、化學反應等因素而引起的宏觀體積變化，當收縮在約束狀態下引起應力超過混凝土自身的抗拉極限時，很容易引起開裂，加速各種有害介質的侵入，嚴重影響混凝土的耐久性。聚羧酸減水劑摻入后，降低了固液的表面張力，增強了混凝土的減縮抗裂性能。在相同水溶液濃度的情況下，聚羧酸減水劑的減縮能力可接近混凝土減縮劑的減縮能力。

     （4）聚羧酸減水劑的適應性問題

     所謂適應性是指外加劑在相同條件下，因水泥、砂石、摻合料、溫度等因素的不同而造成使用效果有較大的差異、甚至是完全不同的程度。聚羧酸減水劑通過近兩年來在鐵路建設工程中的大量應用和在橋梁工程中的實踐，證明其適應性相對較差。混凝土原材料種類、產地等因素的微小變化都會造成新拌混凝土性能出現變化，這一特點與萘系減水劑具有較強的適應性和穩定性的特點截然不同。而要解決這一問題，必須深入細致的掌握聚羧酸減水劑的性能特點，并結合當地材料的性能，通過大量的試驗和工程實踐，以便更好地發揮聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的高效減水作用。

     （5）水泥對聚羧酸減水劑性能的影響

     水泥是一個地域性很強的產品，由于各地域生產水泥熟料的原材料礦物質組分存在不同程度的差異，而水泥熟料的礦物組份微小的變化都可引起混凝土性能的巨大變化，同時調凝劑的品種、石膏結晶的形態、水泥中的堿含量、水泥的比表面積及顆粒級配、混合材的種類及摻量、助磨劑的成分、水泥的置放時間等因素都會影響到外加劑的性能性，都可能引起混凝土拌合物性能的變化。因此對每一批次的水泥使用之前，需進行適應性能的測試，以便及時調整外加劑的配方，這樣才能充分保證聚羧酸減水劑的有效利用。

     （6）摻合料對聚羧酸減水劑性能的影響

     聚羧酸減水劑可提高粉煤灰混凝土拌合物的和易性，減少泌水和離析。使用I級粉煤灰效果好于II級灰和III級灰。與傳統萘系減水劑相比，混凝土的用水量小，泌水率降低，混凝土的凝結時間與摻萘系減水劑相比也大大縮短，避免了過去靠緩凝劑保坍的缺陷。單摻礦粉時其減水率增長幅度減小，混凝土的保坍性能也略有降低，但基本上沒有泌水。當雙摻粉煤灰和礦粉時混凝土的保坍性能又可得到改善。總體來說聚羧酸減水劑適用大摻量礦物摻合料的混凝土，不但可以在降低混凝土用水量的同時大大改善混凝土拌合物的綜合性能，還能有效降低混凝土的成本。

     （7）集料對聚羧酸減水劑性能的影響、

     粗集料（碎石）中的石粉含量、（卵石）中的含泥量、細集料（砂子）中的含泥量和泥塊含量等都會影響聚羧酸減水劑的減水性能和保坍性能。為提高混凝土流動性的保持能力，需要提高聚羧酸減水劑的保坍效果。

     （8）拌合水對聚羧酸減水劑性能的影響

     混凝土拌合用水的來源一般為河水、自來水。而地下水中含有許多組分的礦物質，會大大影響聚羧酸減水劑的吸附能力，降低聚羧酸減水劑的減水能，導致混凝土拌合物的和易性變差。解決此類問題，需在使用之前進行實驗室試拌，合同選擇原材料并正確調整配方。

     3、聚羧酸減水劑在工程應用中必須注意的幾個問題

     （1）選擇性價比高、質量穩定的產品尤為重要

     從聚羧酸減水劑在我國的發展現狀看，生產規模和技術水平有較大的差異。其材料來源也不盡相同，生產聚羧酸所用的聚乙二醇（統一簡稱為聚醚）等主要從德國、日本、韓國等國進口；另一主要原材料（甲基）丙烯酸正處于在引進和消化、擴大規模的過程中；其他單體與輔助原材料若進口則材料成本高，而國內生產則產品質量得不到保證；原材料的不確定性使聚羧酸減水劑質量良莠不齊。生產過程的控制一直是聚羧酸生產的難點與重點，酯化產物的質量及其穩定性對于最終減水劑產品的質量及其穩定性的影響很大。

     （2）聚羧酸減水劑的用量需適當

    聚羧酸減水劑的作用效果對其摻量、用水量十分敏感，超摻或欠量都會引起浪費并降低混凝土性能。聚羧酸減水劑摻量過大會引起離析、泌水而使減水、增強效果下降。在用水量上它截然不同于萘系木質素磺酸鹽減水劑，一般增加10~15kg/m3用水量，混凝土拌合物不會出現泌水、離析現象，而采用聚羧酸減水劑即使增加1~3 kg/m3用水量，混凝土拌合物立刻嚴重泌水，無法保證澆注主體的勻質性，而導致結構表面出現麻面、起砂、孔洞等缺陷。

     （3）生產和運輸過程控制必須嚴格

     使用聚羧酸減水劑前，必須將外加劑秤、攪拌機、運輸罐車清洗干凈，禁止與萘系等其他系列外加劑混合。由于混凝土運輸過程中路途遙遠、堵車或等待澆注時間過長或不可預測原因使混凝土坍落度損失過大時，也可以采用二次添加減水劑的方法，恢復混凝土的流動性，不得隨意添加，一但過量極易造成離析、泌水、甚至分層，施工中是否需要二次添加，添加多少應有技術人員經嚴格試驗后方可進行。

     （4）施工中加強養護不可忽視

     雖然聚羧酸減水劑本身具有抗裂性，能夠降低混凝土的干燥收縮，但不等于摻聚羧酸減水劑的混凝土可以放松養護或不進行養護。與其他外加劑一樣，摻聚羧酸減水劑的混凝土澆注振搗密實后的二次抹壓、薄膜覆蓋或噴霧等防止塑性收縮的措施非常必要，而連續7天以上的保濕養護不僅是混凝土強度增長的需要，也是防止其干燥收縮裂縫的基本保障。

     結束語

     聚羧酸減水劑的應用性能比較復雜，只有了解、掌握聚羧酸減水劑的應用性能，正確解決聚羧酸減水劑與混凝土原材料的適應性問題，進行科學合理的配合比設計，嚴格控制生產過程，并深入質量跟蹤，才能充分發揮出聚羧酸減水劑在混凝土應用中的優越性能。

     作者簡介：

     裴洪濤，陜西西安，1979年12月生，男，工程師，西安市地下鐵道有限責任公司，研究方向：市政及隧道工程

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 (本文來源：陜西省土木建筑學會     文徑網絡：劉軍呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)