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聚羧酸减水剂的现状和应用(2014)

添加日期:2015/4/28 14:33:11   作 者:时磊  来源:   浏览次数:

聚羧酸减水剂的现状和应用

时磊

混凝土技术服务部

摘要:

聚羧酸高效减水剂作为第三代高性能减水剂的代表,是当今减水剂行业发展的主导方向。本文结合了聚羧酸系高效减水剂的发展历程、分类、性能特点、发展过程中所存在的问题及今后的发展趋势,对聚羧酸减水剂的特性和应用展开了综述并提出建议。

关键字:高效减水剂,性能特点,早强防冻,无机盐,链烷醇胺,有机醇 

前言

聚羧酸高效减水剂是当今减水剂行业发展的主导方向,除具有绿色环保、高强度、高减水率、低掺量、分散性和分散保持性好等性能优点外,其另一个主要特性是分子结构自由度大,可以通过分子结构设计获得预期性能优异的多用途高效减水剂。我国近几年在聚羧酸系高性能减水剂的研究和应用方面取得了快速发展,但国内对聚羧酸系高性能减水剂的应用技术研究还处于起步发展阶段,由于我国目前大多数外加剂都是以萘系高效减水剂为基础开发得到的,而萘系减水剂与聚羧酸系高性能减水剂结构与性能相差甚远,萘系减水剂与其它外加剂复配理论和经验已经不再适用,因此工程实践中遇到的许多问题都是新问题。北方地区冬季使用聚羧酸系高性能减水剂在防冻早强方面的问题就是急需研究解决的问题。

聚羧酸减水剂的发展情况

目前各国对聚羧酸高效减水剂研究和应用较多,其中日本的推广应用较为成功。1986年日本触媒公司率先研发成功具有一定比例的亲水性官能团的聚羧酸系高效减水剂,随后逐渐应用在混凝土工程中,1995年后日本的聚羧酸系高效减水剂的使用量达减水剂用量的80%,1995年列入JISA6024国家标准。相比之下欧美国家对聚羧酸高效能减水剂的研究应用晚于日本,1997年的第五届国际混凝土外加剂会议上欧美地区的学者发表了10余篇有关聚羧酸高效能减水剂的论文。目前,关于聚羧酸系列减水剂研发的美国专利已有100项以上。这些研究与国内的研究相比更关心作用机理、减水剂对水泥水化与浆体微观结构的影响,以及新拌混凝土的减水性能和坍落度保持性能、混凝土的引气、离析泌水、凝结和可泵送的一些综合性能。自20世纪90年代中后期以来,我国的科研单位、高等院校、有实力的外加剂生产企业等许多单位通过大量研究,在聚羧酸系高性能减水剂方面取得了不少科研成果,其中中国建筑科学研究院、上海市建筑科学研究院等单位具有完全自主知识产权的研究成果均已经实现工业化规模生产,产品性能并不逊色于国外产品,已经成功用于国内多个重要工程中。但是,具有完全自主知识产权的国产聚羧酸系高性能减水剂产品数量和产量均尚少。

聚羧酸减水剂的分类

聚羧酸系高性能减水剂有以下几种分类方法:按主链所用的单体不同分为:丙烯酸系、甲基丙烯酸系、衣康酸系、马来酸酐和马来酸系及苯乙烯—马来酸酐共聚系等; 

按所用活性单体等原料品种多少不同分为:二元、三元等共聚物;

按表面活性剂的性质不同分为:非离子型减水剂和阴离子型减水剂;

按用途不同分为:预拌混凝土用高流动性保持能力和预制混凝土制品用高早强性聚羧酸系高性能减水剂; 

按照聚羧酸系高性能减水剂的分子结构和官能团将聚羧酸减水剂分为:甲基丙烯酸----甲基丙烯酸酯型、烯基醚型聚羧酸盐、亚胺/酰亚胺型聚羧酸盐和两性聚羧酸盐。

聚羧酸高性能减水剂性能特点

低掺量与高性能:聚羧酸系减水剂的分散减水机理独具特色,虽然在水泥颗粒表面的吸附量较少,但由于其带有许多长长的、亲水性支链,可以产生空间位阻效应,因而掺量少时可以实现较好的塑化效果。按照同体量计算,掺量一般为0.1%~0.3%,此掺量该减水剂的减水率约与0.6%—0.9%的萘系高效减水剂的减水率相当。掺量为胶凝材料用量的0.2%~0.3%(有效成分)时,减水率可高达25%~35%,有的可高达40%。 

保塑性强,坍落度损失低:聚羧酸系减水剂能有效控制混凝士拌合物的坍落度经时损失,而且对硬化时间影响不大。在同样原材料条件下,聚羧酸系减水剂的保坍性明显优于萘系减水剂,并且混凝土拌合物的整体状态也明显好于萘系,很少存在泌水、分层、缓凝等现象。用聚羧酸减水剂配制的大流动性混凝土在一小时后仍能达到泵送要求。  

适应性好:对各种水泥以及混合材料的适应性优于传统的减水剂,该性能是由其特殊的分子结构决定的:聚羧酸系高性能减水剂的分子结构呈梳形,其特点是在主链上带有较多的活性基团,这些基团有磺酸基团、羧酸基团和羟基基团,侧链是较长的聚烷氧基基团等。各基团对水泥的分散发挥不同的作用,一般认为,带有负电磺酸基和羧酸基可以吸附到水泥颗粒表面,起到锚固作用,也起到一定的静电排斥作用。长侧链在溶液中伸展起到较强的空间位阻作用。空间位阻作用对水泥颗粒的分散作用较强,且对电解质的影响不像静电作用那样敏感,因此聚羧酸系高性能减水剂具有很好的分散作用,对水泥品种的适应性也比较好。  

生产过程无污染:生产过程中不使用甲醛等对环境有污染的原料;生产和使用过程中对人体无健康危害,对环境不造成任何污染。 

性能的可设计性强:可实现对聚羧酸系高性能减水剂的分子结构与性能的设计,可根据混凝土的实际性能需要进行减水剂分子结构设计。其分子都呈梳形结构,特点是主链上带有多个极性较强的活性基团;侧链上带有数量占多数的亲水性烷氧基活性基团以及分子链较短、数量少的疏水基,它们必须以合适的比例出现在高分子主链上。  

原材料选择范围广:可选择不同种类的共聚单体,提高生产管理的灵活性,更广阔的研发空间。

聚羧酸系防冻型减水剂

聚羧酸系高性能减水剂作为防冻剂中减水与引气组分,在国内防冻剂配制上尚处于初级阶段,现阶段用于早强防冻系列的产品大多以无机盐为主,另外链烷醇胺、有机醇,如三乙醇胺及三异丙醇胺使用频率也很高。

通过反复实验发现,聚羧酸高性能减水剂与链烷醇胺、有机醇、硫氰酸盐按一定的比例复合后,能够有效改善低温条件下水泥胶砂试件及混凝土的抗冻性;相比之下,同样有机组分与硫代硫酸盐复配以后,对试件抗冻性提高不明显。

聚羧酸高性能减水剂与链烷醇胺、有机醇、硫氰酸盐组分防冻剂是由具有不同功能的有机、无机材料组成的多功能复合防冻剂,如弗克公司的复合型防冻剂FOX SUZAN-100就是这类的,它最低能在-10℃使用。由于不含氯盐和其他有促锈作用的物质,不会引起钢筋锈蚀。可大幅度减少水泥的拌和用水,对水泥颗粒具有很强的分散作用、塑化作用和促硬增强作用,加速试件内部结构的形成,而且掺量低。早强防冻组分减水剂中由于高效减水剂的合理引气作用,可以使防冻试件的孔结构发生重要改善:大孔减少,小孔、微孔增多,孔分布均匀,这种改善有利于提高混凝土的抗冻耐久性。

结语

国产聚羧酸系高性能减水剂占有的市场份额相比于国外产品还有差距,所以,我国聚羧酸系高性能减水剂的研发和工业化生产以及工程应用在总体上仍然处于初始阶段,展望未来,任重而道远。

参考文献

[1] 王子明.刘进强.新型聚羧酸系超早强复合减水剂试验研究[J].低温建筑技术.2008.

15-17。

[2] 雷西萍.复配型早强减水剂的制备与性能研究[J].硅酸盐通报.2010.948-952。

[3] 早强型聚羧酸系减水剂的性能及应用[J].混凝土世界.2010.54-56。

[4] 蒋国宝.杨芸.吴文田.等.酯醚混合型超早强聚羧酸高性能减水剂的研究[C].聚羧酸系高性能减水剂及其应用技术新进展.2011.130-134。

[5] 王子明.张瑞艳.王志宏.聚羧酸系高性能减水剂的合成技术[J].材料导报.2005.44-46。


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