聚羧酸减水剂的研究进展

刘蕾+叶嘉敏

（西安文理学院）

摘要： 本文叙述了聚羧酸减水剂的基本结构，分析了聚羧酸减水剂的作用机理，并阐述了聚羧酸系高效能减水剂的优点，简要回顾了减水剂的发展历史，并结合目前研究和应用中的问题及将来发展的需求，提出了今后发展的方向。

关键词： 聚羧酸减水剂；分子结构；作用机理；研究现状

引言

聚羧酸系减水剂简称为PCE。聚羧酸系减水剂是目前世界上最前沿、科技含量最高、应用前景最好、综合性能最优的一种混凝土超塑化剂（减水剂）。20世纪90年代起，研究得到了聚羧酸系高性能减水剂。减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变的条件下，能减少拌和用水量、提高混凝土强度，或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂。因具有掺量低、减水率高、坍落度损失小和分子设计性强等优点，成为了二十一世纪混凝土减水剂发展的重要方向。[1]

1.聚羧酸减水剂的基本结构

图1是聚羧酸减水剂的结构式，聚羧酸减水剂的分子结构成梳型，其特点是在主链上带有较多的活性基团，并且极性较强，这些基团有亲水性的磺酸基团（-SOH）、羧酸基团（-COOH）、羟基基团（-OH）、聚氧烷基团（-（CHCHO））、酰胺基团等。

2.作用机理

疏水性的减水剂分子主链吸附于水泥颗粒表面，能够隔离水泥和水，主链上连接的聚氧化乙烯基长侧链和—COOH、—SOH、—NH等短侧链伸向水溶液之中。短侧链的基团能吸附于水泥颗粒表面，增强与水泥颗粒表面的吸附，使吸附更加牢固，同时，还有部分伸向水溶液中，形成了密集的绒化层，这种绒化层结构能够有效地阻止水分子的渗透，增加电荷密度，提高静电斥力。[2]

3.研究进展

3.1发展过程

根据减水剂的发展进程，可将减水剂的发展分为以下三个阶段：

（1）以木钙为代表的第一代普通减水剂，20世纪30年代，美国日本等发达国家开始使用木质素磺酸鈉等第一代减水剂，当时建筑等行业水泥需求量的迅猛增加，推动了减水剂的较快发展。普通减水剂的减水率低，有一定的缓凝和引气作用，主要用于配置低强度等级的混凝土。

（2）以萘系和三聚氰胺为代表的第二代高效减水剂。20世纪60年代，普通减水剂逐渐向高效高性能方向发展，磺化、缩合等反应过程是这一阶段产品的主要特征。萘系高效减水剂减水率高、不引气、不缓凝、增强效果好，但混凝土坍落度损失大，超掺对混凝土性能影响不大。

（3）以聚羧酸盐为代表的第三代高性能减水剂。20世纪90年代初，随着“高性能混凝土（HPC）”概念的正式提出，聚羧酸减水剂迅速得到重视并发展起来，其高减水率使得混凝土拌合过程水的用量得以大幅度减少，同时改善了新拌混凝土的和易性和分散稳定性。其具有掺量低、减水率高、流动性保持好，增强效果明显等优势。[3]

3.2发展现状

3.2.1发展优势

聚羧酸高效减水剂是配置高性能高流动性混凝土、大掺量粉煤灰混凝土最重要的组成材料.日本早在1981年就研制成功了聚羧酸系减水剂。[4]在我国，聚羧酸减水剂在混凝土生产及工程建设行业的应用已越发广泛而成熟[5]，如已成功应用在三峡大坝、苏通大桥、田湾核电站、京沪高铁等国家大型水利、桥梁、核电、铁路工程，并取得了显著的成果。它有如下优点：1、减水率高（最高减水率可达35%以上）、体积稳定、保塌性好（90min内坍落度基本不损失）；2、与水泥及其它种类的混凝土外加剂相容性很好，与传统高效减水剂如萘系减水剂复配可产生良好的叠加效应；3、在相同流动性情况下，对水泥凝结时间影响小，可很好的解决减水、引气。缓解、泌水等问题；4、合成高分子主链的原料来源较广； 5、使用聚羧酸高效减水剂，可用更多的矿渣或煤粉灰取代水泥，降低成本，并且对环境无污染，无毒害。综上，聚羧酸减水剂对混凝土技术发展具有重要的推动作用，其应用前景将会越来越广阔。

3.2.2发展的局限性

目前聚羧酸减水剂已在世界范围内推广开来，在发展的过程中总结了宝贵经验，同时也发现了一些问题：高温环境下保坍性不足；温度敏感性强，同时聚羧酸减水剂在不同季节施工，混凝土保坍性相差甚远；在高掺合材、低水胶比混凝土配制中，混凝土粘度高，不利于施工；功能性产品较少，对早强、缓凝、泵送等不同性能的需求，无法生产出相应的聚羧酸母体，这极大地制约了聚羧酸系减水剂的广泛应用与发展；减水剂大多数在水体系中合成，难以了解不同单体间复杂的相互作用；在使用高性能减水剂的混凝土中，当单位水量减少，塌落度增大时，常常发生减水剂用量过大、混凝土粘性太大、出现离析泌水现象等问题。

3.3发展前景

随着混凝土技术不断向高强度、高耐久性和多功能性的方向发展，减水剂作为混凝土中必不可少的组分之一，应该在以下几个方面加强研究和应用推广。

3.3.1.高性能化

为满足高性能混凝土发展的需求，聚羧酸减水剂应继续向低粘度、高分散、高保坍等高性能化方向发展。提高减水剂的适应性。

3.3.2.生态化

目前一部分聚羧酸减水剂的合成工艺一般是采用自由基聚合，合成过程中需要加热，不仅耗能，还会带来环境污染问题[6]，不利于可持续发展。因此目前聚羧酸系减水剂的制备合成过程及产物正在向无毒、无污染、节能等方向努力，达到绿色环保化。

3.3.3功能化

随着预制混凝土、大体积混凝土、钢筋混凝土的应用及不断涌现的问题，在对聚羧酸构效关系和作用机理的深入认识的基础上，设计和合成具有特殊功能的分子结构，使其具有超早强、减缩抗裂和阻锈等多种功能，有利于进一步推动混凝土的技术进步和可持续发展。如聚羧酸减水剂应形成如下基本系列产品：标准型、缓凝型、早强型、保坍型、减缩型及降黏型等，目的是在完善这些系列合成产品后，就可以解决现场混凝土遇到的大多数问题，更好的满足市场需求，利于推动高性能混凝土的快速发展[7]。明确聚合物分子结构及分子排列与性能之间的关系，实现分子结构性能的可设计性，从而开发出具有特殊功能的减水剂产品。

结论

聚羧酸系高效能减水剂由于其优良的性能和绿色环保特性，代表了混凝土外加剂的今后的发展方向。聚羧酸系高效能减水剂具有减水率高、保塌性好等优点，对混凝土技术发展具有重要的推动作用，因此有必要加快开发推广高性能、多功能化，生态化的高性能聚羧酸系减水剂。其应用前景将会越来越广阔。

参考文献：

[1]蔡苇，聚羧酸高性能减水剂的制备及性能研究，中北大学2013-4-19

[2]明孝生，聚羧酸减水剂研究进展，化工管理 2016-5-11

[3]汪梁，早强型聚羧酸减水剂的研究，新型建筑材料，2016-01-25

[4]杨鑫，秦士洪，聚羧酸系减水剂减水率的影响因素试验研究2016-02-28

[5]李英祥，陈周鹏，蔡文荣，浅探某些工艺因素对聚羧酸减水剂性能的影响，商品混凝土2016-02-15

[6]章俊凯，减水剂的研究现状及发展，四川水泥2016-04-15

[7]李顺凯，王文荣，高玉军，韦鹏亮，聚羧酸减水剂常温制备工艺及性能研究2016-03-25