聚羧酸系减水剂研究亟待解决的6大难题

孙振平

(1.同济大学 材料科学与工程学院, 上海 201804；2.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 201804)

聚羧酸系减水剂(polycarboxylate based plasticizer，PCE)由于掺量低、减水率高(不小于25%)、增强效果好、分子可调节性强，以及合成过程中不使用甲醛等特点，自20世纪80年代末诞生起就受到研究者和工程应用者的推崇.特别是21世纪初中国高铁和大坝工程开始推广应用PCE后，在PCE研究方面掀起了一股浪潮，久未平息.关于PCE的研究，人们聚焦于其作用机理的解释、性能的进一步提升、衍生产品的开发以及应用技术的优化，目的在于彻底解决水泥混凝土实际施工技术问题，提高混凝土综合性能(高工作性、高强度、高韧性和高耐久性)，最大程度地实现节资、利废、节能和减排的目标.时至今日，虽然在PCE的研究方面取得了一定成果，但由于对PCE的认知尚浅，所解决的问题只是冰山一角，研究工作仍然十分艰辛！

为激发更多学者的研究兴趣，引导重点研究方向，促成更加有效的研究成果，在此特提出有关PCE研究的6大难题，欢迎大家批评指正.

难题1：PCE的作用机理

掺入PCE的水泥浆体流动性能会大幅提高.研究人员普遍认为，PCE吸附在水泥颗粒表面，相邻水泥颗粒表面所吸附的PCE分子主链上的羧酸基团通过同性电荷相斥原理产生分散作用，加之，PCE分子的侧链可以提供空间位阻作用，因而PCE具有优异的分散性能.但是，PCE是如何被吸附在水泥颗粒表面的呢？是静电作用的结果还是熵增作用的驱动，目前仍然没有定论.此外，掺入PCE的水泥浆体水化诱导期的持续时间相较未掺PCE的水泥浆体有所延长，在宏观上表现为水泥浆体凝结时间推迟.那么，PCE如何实现对水泥浆体的缓凝？为什么掺有PCE的水泥浆体在后来的水化速率反而加快？

难题2：PCE的插层作用

Plank等研究认为，PCE在某些水化产物中可能发生插层作用.那么PCE发生插层作用的机理是什么？部分学者认为，水泥浆体液相中的PCE分子可能为水化硅酸钙(C-S-H)的成核提供位点，那么这是否是发生插层作用的原因之一？此外，膨润土和蒙脱土等矿物相蒙脱石也具有层状结构，了解PCE发生插层作用的原因可否助力于抗泥型PCE的研发？

难题3：早强型PCE

学界有部分早强型PCE的研究成果，市面上也已经开始出现少量的早强型PCE产品，但是人们对早强型PCE的作用机理仍然存在疑虑.大量试验结果表明，PCE的掺入均会不同程度地延缓水泥的水化，降低水泥浆体早期的累积水化放热量，同时降低早期硬化水泥浆体中CH的生成量.关于早强型PCE的作用机理，以及该类PCE是否确实促进了水泥浆体的水化，是值得商榷的.

难题4：促凝型PCE

难题5：减缩型PCE

水泥混凝土浇筑后会发生一系列的收缩，如塑性干燥收缩、化学收缩、自收缩和硬化干燥收缩等，导致其产生收缩裂缝，严重影响结构的力学性能和耐久性.大量试验证明，掺入有效的减缩剂可以使混凝土的塑性干燥收缩、自收缩和硬化干燥收缩率减少40%以上，降低混凝土结构出现严重裂缝的概率.关于减缩剂的作用机理，普遍认可的是：(1)减缩剂的掺入大幅降低了混凝土内部液相的表面张力；(2)减缩剂的掺入有助于减缓混凝土内部水分的蒸发速率；(3)减缩剂的掺入改变了混凝土内部浆体的孔结构.不管减缩剂的作用机理如何，其较大的掺量(1%～ 3%)影响着工程界的使用积极性.由于PCE的水溶液也具有较低的表面张力，人们寄希望于减缩型PCE的成功研发与投产.然而，时至今日，尚未出现规模化的减缩型PCE产品.

难题6：PCE的适应性

虽然PCE在中国减水剂行业的市场占有率已超过80%，但仍然有些混凝土生产企业无奈地将所使用的PCE更换为萘系减水剂或脂肪族减水剂.究其原因，在于目前的PCE产品在面对不同地域的混凝土原材料时，其适应性难以满足要求.中国幅员辽阔，PCE的推广应用者面对全国各地不同的原材料和其他外加剂时，即使利用富有经验的复配技术，有时仍然束手无策.这些难题主要涉及PCE的适应性.通过神经网络建立不同种类PCE对各种原材料和其他外加剂的影响模型，可能会对企业在PCE的研发及应用方面大有裨益.

综上所述，自20世纪80年代诞生以来，PCE虽然已经历经30余年的发展，但关于PCE作用机理的研究、PCE新品种的开发以及PCE大规模应用的研究方面仍然有诸多亟待解决的问题.

PCE的研究方兴未艾！为了PCE美好的未来，所有相关研究者应该同舟共济，自强不息，继往开来！