聚羧酸减水剂在高性能混凝土中的应用

米金玲朱乘胜

1.河南省建科院工程检测有限公司；2.河南省建筑科学研究院有限公司

1 引言

混凝土可以说是当今土木工程建设中最主要的和不可或缺的材料之一，而高性能的混凝土因为其自身具有的天然的优越性，使其自诞生之日起便成了混凝土产业的主要生产选择和相关技术发展的重要方向。而聚羧酸减水剂这一高效能减水剂作为混凝土生产过程中必不可少的外加剂，则具有其他虽然拥有更长久的发展历程、但在性能方面稍显落后的减水剂所难以比拟的优越性。根据到目前为止的针对聚羧酸减水剂和其他普通减水剂对混凝土分别能够产生的不同程度地缓凝作用的对照试验结果表明，聚羧酸系高效减水剂对高性能混凝土起到得缓凝作用不仅会比普通的减水剂的凝固时间更长，而且在使用过的一段时间后，混凝土的强度也会有一定程度的增加。此外，另一组在两者中还添加了消泡剂的实验结果表明，在使用聚羧酸系高效减水剂作用于混凝土时，同一时间添加一定分量的消泡剂对混凝土含气量的降低有着较为可观的效果，能够有效提高混凝土的强度。

2 现有发展条件下混凝土的现状和弊端

现代科技的不断发展和进步日益推动着大量基础性工程的建设规模不断扩大，现代化的工程建设出于提供更符合现代化发展的建筑、更充分的利用土地和更多地容纳日益增加的人口等的需要逐渐朝着更大高度和跨度的方向发展，因此混凝土作为土木工程建设必不可少的材料也同样随之面临着前所未有的机遇和挑战——现代化大规模工程建设对混凝土生产的数量有着更大需求的同时，也对混凝土的性能有着更进一步的要求。

在现今已有的发展条件下，目前我国的混凝土的总产量相对以往来说有着相当大幅度的提高，但是相对于美国、日本、西欧等发达资本主义国家来说，我国的混凝土产业在混凝土的商品化和专业化程度上都有着相当明显的偏差和落后。同时，虽然因为近几年房地产建设和其他土木工程建设行业的快速发展，我国的混凝土行业也随之得到了较快速度的发展，但是由于不同地区的经济发展水平和发展速度不同，在该地区开展的工程建设的数量和规模也就不同，因此对混凝土的需求量也有着一定程度的差异，致使混凝土行业在不同地区的发展水平非常不均衡——华东和华北两个地区集中了全国近百分之七十的混凝土企业的同时，在地域更为辽阔的东北、西北和西南地区，混凝土企业的数量则不过寥寥几家或者几十家，这一现象的出现极大地影响着我国混凝土产业的持续、均衡和长远发展。此外，虽然我国的混凝土企业数量的增长速度较快，但是作为一个企业发展重要支撑的生产加工设备和由技术人员组成的技术力量的发展却远远跟不上企业的发展速度和水平，这也在一定程度上导致了新的混凝土技术的开发或者改良的滞后，同时由于受到技术水平和生产设备质量等限制而长期采用的粗放式的混凝土生产工艺也在影响着混凝土产业的进一步发展。

3 聚羧酸减水剂的发展历程、类型特点

二十世纪三十年代初期，以木质素磺酸盐为主要组成成分的减水剂在国外已经得到发展和应用，并且随着相关实验和研究的推进，萘系、三聚氰胺系等一系列的具有更高性能减水剂接连不断地出现，与此相关的大小企业均得到一定程度的发展。与此截然相反的是当时正处于水深火热的战乱状态的我国，无论是轻工业的发展还是重工业的发展均在帝国主义、官僚资本主义等的压迫下，受到了不同程度的阻碍，在国外正研制着不同类型的减水剂、开辟新的混凝土领域的时候，减水剂的引进、生产等在我国尚且处于对此一无所知的局面。这种局面一直到二十一世纪前后才有所改变，聚羧酸系高性能减水剂才逐渐进入我国，并随着我国社会主义现代化经济建设和基础设施建设的飞速迅猛发展日益受到重视和发展。

现有的聚羧酸高效减水剂共分为单环芳烃型、多环芳烃型、杂环芳烃型三种，而不同类型的高效减水剂既同样具有高减水量的共同特点，又在使用的剂量、对水泥的分散性方面有着各自不一的特点，以氨基磺酸盐类高效减水剂为主要代表的单环芳烃型聚羧酸高效减水剂在添加比其他类型的减水剂更低剂量的同时，依然能够保持较其他类型的高性能减水剂的稍高剂量的减水量，这也是这一类型的减水剂在市场上能够长期占据一定的市场份额的原因之一；以萘系和蒽系为主要代表的多环芳烃型高效减水剂对水泥的分散性有着更好的效果，这一特点同样是这一类型的减水剂在市场上能够被纳入选择范围的优势之一；而以三聚氰胺系为主要代表的高性能减水剂则由于其性能与多环芳烃型相似，但是却需加入比多环芳烃型减水剂较高的剂量才能达到同样的减水效果以及其相对其他两类高性能减水剂较高的价格，使其在适用面范围上大大受限，市场竞争力相对较弱。

4 高性能混凝土的特性

原材料：传统工艺当中，为了增强混凝土的各种性能，常会在混凝土当中添加各种物质，比如将水泥、硅灰和钢渣粉等作为胶凝材料，并在其中掺入细河沙与钢纤维，增强高性能混凝土的强度。或者对混凝土直接进行热水养护，用以提高混凝土的抗压强度。然而高性能混凝土如果使用传统工艺进行制备，热养护这一步骤会制约混凝土的使用范围，因此有研究学者使用大量矿物掺合料进行试验，并加入粒径最大的粗骨料，工艺则选取常规的搅拌、成型以及养护，最终发现这种方式也可以制备出高性能混凝土，其应用也不再局限于预制构件。当然有些高性能混凝土的生产成本也比较低，但实际性能不会因为材料改变受到影响。

生产工艺：使用传统的生产工艺制备高性能混凝土，不得不使用热养护的方式，其可以降低混凝土的孔隙率，改善孔隙分布，但是最为突出的问题是热养护会限制高性能混凝土在实际工程中的应用范围，为了让高性能混凝土的应用范围得以拓宽，部分学者提出可以替换原材料，比如使用抛填骨料进行生产，如果骨料取代率达到五分之一时，混凝土的强度、弹性等性能均能获得大幅度提升，并且更为紧实。

力学性能：从高性能混凝土的抗压性能来看，适当添加钢纤维就可以提高混凝土的抗压强度。就抗弯强度来看，如果将高性能混凝土制成梁，其弯曲强度与极限弯曲强度均大于普通混凝土梁，并且在一定范围内梁的厚度越大，其弯曲极限也会随之增大，甚至可以达到普通混凝土梁的4倍左右。从抗剪性能来看，高性能混凝土中的箍筋会增加其受剪承载力，即使混凝土最终出现开裂，箍筋的应力也会逐渐增强，削弱混凝土开裂所导致的不良结果。从韧性来看，高性能混凝土中如果安装了结构钢，其韧性会被改善的越加明显，也不容易出现断裂的情况。此外高性能混凝土还具备良好的稳定性，初期不会轻易开裂，与一般的混凝土相比，其使用了增粘剂与减水剂，可以降低混凝土内的含水量，最大程度规避离析问题。当然后期完成高性能混凝土的浇筑工作后，施工人员还会在混凝土表面覆盖湿润的草席或者布料，降低自然环境对材料含水量的影响，进而起到预防早期开裂的作用。

耐久性能：耐久性能是高性能混凝土的基本特征，其将各种有助于保持自身特性的优势集为一体，比如孔隙小，可以抗渗、抗冻，材料内的中性物质较多，能有效抵抗材料被腐蚀，因此可以说其结构十分可靠，安全性能突出，最起码可以正常工作五十年以上。与此同时，在高性能混凝土处于拌制期间，施工人员添加的水灰比例小，还会增加高校减水剂，如聚羧酸减水剂等减少混凝土中的水分，让材料更为紧密。而添加超细矿粉，则能改善水泥石与骨料间的大量孔隙，增强混凝土的抗裂性能，再加上湿草席的覆盖，性能更为稳定，施工时不需过分担心混凝土的问题。

工程造价：前文已经介绍到高性能混凝土的原材料、制备工艺等较传统方式更为讲究，因此可以成就力学性能与耐久性能良好的混凝土。然而性能良好并不能证明建筑企业在前期必须付出大量成本，比如由于高性能混凝土强度高，其可以作为梁支撑建筑整体，增强结构的稳定性，并且材料的尺寸可以适当减少，一方面增加建筑的空间，另一方面降低工程建设的人工投入，减少工程造价。另外，高性能混凝土的耐久性能突出，使用年限基本在50年～100年左右，使用过程中维修和加固的频率小，难度小，可以有效缩减后期维护所消耗的人工成本。

5 聚羧酸减水剂在高性能混凝土中的具体作用

随着经济发展，建筑工程中商品混凝土的使用率逐渐提高，然而由于城市交通拥堵问题，人们对混凝土的性能要求越来越严格。原材料的优良程度直接决定着混凝土的实际质量好坏，因此外加剂作为混凝土生产制作的组成部分，它的成分构成和性能优劣也在一定程度上直接影响着成品混凝土在土木工程中的具体应用。

水泥品种的影响、减水剂掺量的影响、用水量的影响、掺和量的影响、骨料的影响等都会直接或者在与减水剂的接触中间接地影响着成品混凝土的质量。水泥的品种方面，由于出自不同地区、不同的生产厂家，哪怕是同一配置、同一种类的水泥都可能会有着某些细微的差异，并因此影响其对减水剂的适应性，进而影响混凝土的质量。在减水剂的掺量上，由于不同类型的减水剂的化学成分不一，添加于混凝土中时会产生不同的效果，因此，要经过多次的试验，进而发现最理想的掺量以达到最可观的效果。同时，由于在配置高性能混凝土时会一定数量的矿渣和粉煤灰，这些配料的掺和比例在一定程度上决定着所拌混凝土的泌水情况，因此，除了要慎重考虑矿渣和粉煤灰的具体掺和量，在用水量方面同样需要多加考虑、慎重添加以保证成品混凝土的质量。此外，由于构成混凝土骨料质量标准的成分结构比较复杂，包括骨料的颗粒级配、骨料的形状、骨料的表面形状、骨料的含泥量、骨料的有害物质含量等，这些无一不在影响着骨料对减水剂的减税效果，尤其是骨料的含泥量和泥块含量，对减水剂能够发挥多大程度的减水效果影响最大，在实际的工程应用中，由于骨料的含泥量过大而致使减水剂的减水效果有限以至于不能投入使用的案例比比皆是。

从分子结构分析，聚羧酸减水剂中含有梳形结构，主链长，与传统减水剂相比其分散性能更强，尤其是分子结构中的羧基、磺酸等，因为这些分子结构的存在，混凝土的水化效果会更佳。有研究得出，当聚羧酸减水剂的使用量达到整个体系的0.2%时，就可以充分发挥作用，至少减少体系内25%的水分。总之将一定剂量的聚羧酸减水剂作用于高性能混凝土时具有低掺量、高减水率的优势，能够保证混凝土具有较为良好的流动性，同时，在提高不同龄期的混合土拌料的强度方面有着其他减水剂所没有的优良效果。由于聚羧酸减水剂自身具备的一定程度的引气量，在提高混凝土的稳定性方面有着较为可观的效果。

6 结束语

从上述分析中我们可以很明显的发现，现有条件下的添加了一定剂量的聚羧酸减水剂的高效能混凝土在性能方面确实较传统添加了普通外加剂的混凝土有着很大程度的直观的提高，这极大地促进了我国的许多重大工程如海洋钻井平台工程、隧道建设工程和其他一些较高层建筑物的进行和建成，但是依然存在着许多亟须改变的弊端以应对未来更高质量的土木工程建设的要求。而自从二十一世纪以来，聚羧酸高性能减水剂除了在高效能混凝土方面得到具体的普遍的实际应用外，也受到了国内外大量致力于相关研究的学者的重视，试图通过大量的实验研究来发现其中的规律，以科学的理论推动在聚羧酸减水剂原有的基础上对其合成工艺进行的更高水平的改良，从而推动高效能混凝土产业甚至土木工程行业的更进一步的发展，故此，对聚羧酸高性能减水剂的研究很大程度上也逐渐成了对混凝土的化学外加剂的主要研究。