聚羧酸系高效減水劑

1、聚羧酸系高效減水劑一一現(xiàn)代混凝土設(shè)計(jì)和施工的神兵利器國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐證明，混凝土外加劑的應(yīng)用是混凝土發(fā)展史上繼鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土后的第三次重大飛躍。用它可以方便的改變混凝土的質(zhì)量和性能，提高施工速度和質(zhì)量，改善工藝和勞動(dòng)條件，節(jié)省水泥和能源。具有投資少，見(jiàn)效快，推廣應(yīng)用簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著的特點(diǎn)。外加劑在混凝土材料中占據(jù)了舉足輕重的地位，已成為現(xiàn)代混凝土不可或缺的組成部分，是混凝土改性的主要技術(shù)途徑在近七十多年混凝土外加劑發(fā)展過(guò)程中，減水劑作為混凝土外加劑中一個(gè)重要的品種廣泛應(yīng)用于混凝土中，是目前國(guó)際公認(rèn)的能顯著改善新拌混凝土的工作性和勻質(zhì)性，大大提高混凝土性能的最有效材料，是大

2、幅度提高混凝土綜合耐久性的外加劑。它對(duì)改善混凝土的性能賦予了諸多的非同尋常的特殊功效。 混凝土外加劑起源于20世紀(jì)30年代，為了提高混凝土路面質(zhì)量，美國(guó)開(kāi)始使用引氣劑，并于20世紀(jì)40年代，首先制定了引氣混凝土的施工規(guī)范，與此同時(shí)美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)也制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)北部地區(qū)和加拿大所有露天使用的混凝土規(guī)定要摻用引氣劑，已改善混凝土的耐久性，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)使用混凝土外加劑的先河。隨后出現(xiàn)了第一代減水劑 木質(zhì)素磺酸鹽減水劑；1962年，德國(guó)的SKW Trostberg和日本的Kao Soap各自同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明了甲醛縮聚物，分別是以三聚氰胺為原料聚磺化三聚氰胺高效減水劑和以焦化廠副產(chǎn)品工業(yè)

3、奈為原料的奈磺酸鹽縮甲醛高效減水劑，其對(duì)水泥以及石膏漿體具有強(qiáng)力的分散性能。這兩個(gè)產(chǎn)品構(gòu)成了第二代高效減水劑，并延用至今，成為今天混凝土減水劑主要構(gòu)成，近代來(lái)又陸續(xù)出現(xiàn)了氨基磺酸鹽高效減水劑、脂肪族高效減水劑、聚梭酸系高效減水劑。聚羧酸系高效減水劑是最近出現(xiàn)的一種全新型的高性能減水劑，該高效減水劑主要通過(guò)不飽和單體在引氣劑作用下發(fā)生共聚，將帶有活性基因的側(cè)鏈接枝到聚合物的主鏈上，因此具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：低摻量、高減水率，強(qiáng)分散性，與不同的水泥具有相對(duì)較好的適應(yīng)性，低坍落度損失，更好地解決混凝土的引氣、緩凝、泌水等問(wèn)題，混凝土后期強(qiáng)度較高等。摻加量一般只是奈系減水劑的1/51/10，減水率卻可

4、達(dá)到30%以上。由于摻量大幅度降低，一者帶入混凝土的有害成分幅度減少，二者單方混凝土中由高效減水劑引入的成本增加完全可達(dá)到與奈系或與其他高效減水劑相當(dāng)，因而該類(lèi)產(chǎn)品完全具備取代奈系高效減水劑的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件。此類(lèi)減水劑特別適合用于高性能混凝土，是21世紀(jì)國(guó)內(nèi)外推廣應(yīng)用的主要外加劑。 現(xiàn)代混凝土設(shè)計(jì)和施工要求混凝土具備高強(qiáng)度、高耐久性、高工作性。在現(xiàn)化混凝土的設(shè)計(jì)上，英國(guó)DunStan的工作可以稱(chēng)得上是一個(gè)典范。針對(duì)粉煤灰在混凝土中的作用特點(diǎn)，他提出：粉煤灰應(yīng)該看作為混凝土的第四組分，即除了水泥、水與骨料外的一個(gè)獨(dú)立成分，而不是作為水泥的替代品。將粉煤灰看作一種替代水泥的成分，往往得不到最為經(jīng)濟(jì)

5、的混凝土配比。因?yàn)檫@樣設(shè)計(jì)的配合比，是在一個(gè)己經(jīng)確定的拌合長(zhǎng)期的不摻粉煤灰的混凝土的基礎(chǔ)上開(kāi)始進(jìn)行的，設(shè)計(jì)混凝土配比時(shí)，考慮的是水泥和骨科的性質(zhì)，而不用考慮到要用粉煤灰。因此，他根據(jù)水泥和粉煤灰獨(dú)立的作用，在原有的二維關(guān)系圖上（水灰比一強(qiáng)度)增加了粉煤灰/膠結(jié)料參數(shù)，建立起一個(gè)三維作用，并在六百七十多個(gè)摻有不同比例粉煤灰的混凝土拌合物數(shù)據(jù)，在其中多數(shù)粉煤灰比硅酸鹽水泥用量大的基礎(chǔ)上，建立了設(shè)計(jì)高摻量粉煤灰混凝土的程序。 DunStan的混凝土設(shè)計(jì)理念在1982年倫敦Gatwick機(jī)場(chǎng)上的擴(kuò)建中得到了充分的體現(xiàn)，該工程以純水泥混凝土和高摻量粉煤灰混凝土分別修筑了兩條相鄰的停機(jī)坪道面進(jìn)行對(duì)比，所采

6、用的配合比設(shè)計(jì)和拌合物工作度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1與表2。從中不難看出兩種混凝土設(shè)計(jì)的骨科用量、膠凝材料用量、用水量以及工作度檢測(cè)(用壓實(shí)因數(shù))數(shù)據(jù)之間，不存在任何人們熟悉的對(duì)等關(guān)系。 表1配合比設(shè)計(jì)HFCC路面OPC路面HFCC路面OPC路面粗骨料40mm525 Kg/m3673 Kg/m3粉煤灰232 Ml/m20mm317 Kg/m3598 Kg/m3水134 Ml/m151 Ml/m10mm210 Kg/m3231 Kg/m3引氣劑2000 Ml/m525 Ml/m砂545 Kg/m3598 Kg/m3減水劑560 Ml/m600 Ml/m水泥275 Kg/m3375 Kg/m3從該機(jī)場(chǎng)經(jīng)過(guò)4

7、年運(yùn)行后拍下的兩條對(duì)比道面的照片上不難看出，混凝土中摻有46%粉煤灰道面的表面抗滑構(gòu)造，顯然比純水泥混凝土耐磨耗性能更為優(yōu)異。表2 拌合物工作度檢測(cè)結(jié)果 壓實(shí)因數(shù)混凝土平均值標(biāo)準(zhǔn)離差檢測(cè)次數(shù)HFCC0.740.5521OPC0.860.0124 另一個(gè)引人注目的粉煤灰混凝土設(shè)計(jì)案例，是1985年以來(lái)加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心(CANMET)對(duì)大摻量粉煤灰混凝土進(jìn)行的深入而廣泛的研究。他們沒(méi)有以不摻粉煤灰的混凝土為對(duì)照，而是以水泥的15Okg/m3、粉煤灰2OOkg/m3為膠凝材料，調(diào)節(jié)高效減水劑摻量和砂石用量，將水膠比降低到 0.3左右，使拌合物的工作度穩(wěn)定在2OOmm左右、含氣量為5%6%，所

8、配制的混凝土抗壓強(qiáng)度28d為304OMPa；90d為405OMPa；l年為506OMPa。大摻量粉煤灰混凝土的試驗(yàn)成功，使其在加拿大哈利法克斯的帕克林購(gòu)物中心施工中被用于澆注巨大的柱子(總共使用了700m3大摻量粉煤灰混凝土);在該市海邊建筑物群施工中也得到應(yīng)用，包括兩幢商業(yè)大廈的公共建筑 (32根直徑1.2m和30根直徑1.lm的框架柱沉箱，平均長(zhǎng)度2lm),采用大摻量粉煤灰混凝土的首要原因，是其抗?jié)B性能優(yōu)異。在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實(shí)驗(yàn)室，工程師們以上述大摻量粉煤灰混凝土配合比澆注了一個(gè)重360t的混凝土平臺(tái)。為降低水化熱，以粉煤灰、型(低熱)水泥、水、粗細(xì)骨科、引氣劑和高效減水劑混合配

9、制。平臺(tái)的尺寸為7mX8m，厚度平均為2.25m，安放在多具充氣圓柱體上，使其震動(dòng)時(shí)與地面分離。由于粉煤灰混凝土特殊的品質(zhì)，發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會(huì)引起平臺(tái)共振。在該平臺(tái)上成功發(fā)射愛(ài)那克依火箭的事實(shí)雄辯地證明:高摻量粉煤灰混凝土是真正太空時(shí)代的建筑材料。 事實(shí)上，由于聚竣酸系高效減水劑的應(yīng)用，以及粉煤灰的密度僅約水泥2/3的特點(diǎn)，使大摻量粉煤灰混凝土的水膠比可以大幅度降低，從而使摻用粉煤灰的效果大為改善，性能可以大幅度地提高。水膠比降低為什么影響這么大呢？ 在高水膠比(例如0.65)的水泥漿體里，水泥顆粒被水分隔開(kāi)(水所占體積約為水泥的兩倍)，水化環(huán)境良好，可以迅速地生成表面積增大1000倍的水

10、化物，有良好地填充漿體內(nèi)空隙的能力。粉煤灰雖然從顆粒形狀來(lái)說(shuō)，易于堆積密實(shí)，但是它水化緩慢，生成的凝膠量少，難以填充顆粒周?chē)目障?，所以摻粉煤灰水泥漿體的強(qiáng)度和其他性能總是其隨其摻量增大(水泥用量減少)呈下降趨勢(shì)(在早齡期尤為顯著）。 在低水膠比(例如0.3左右)的水泥漿體里情況大不一樣了。不摻粉煤灰時(shí)，高活性的水泥因水化環(huán)境較差，即缺水而不能充分水化，所以隨水灰比下降，未水化水泥增大，生成產(chǎn)物量下降，但由于顆料間的距離減小，要填充的空隙同時(shí)減小，因此混凝土中強(qiáng)度發(fā)展迅速。這種情況下用粉煤類(lèi)代替部分水泥，在低水膠比條件下，水泥的水化條件相對(duì)改善，因?yàn)榉勖侯?lèi)水化緩慢。使混凝土的水灰比增大，水泥的

11、水化程度因而提高，這種作用機(jī)理隨著粉煤灰的摻量增大愈加明顯(摻量為50%左右，初期水灰皆有則接近0.6)。水泥水化程度的改善，則有利于粉煤類(lèi)作用的發(fā)揮，然而與此同時(shí)，需要粉煤類(lèi)水化產(chǎn)物填充的空隙已經(jīng)大大減小，所以其水化能力差的弱點(diǎn)在低水膠比條件下被掩蓋，而它降低溫升等其他優(yōu)點(diǎn)則依然起著有利于混凝土性能提高的作用。以上所述低水膠比下粉煤灰作用的變化，我們可以用一個(gè)動(dòng)態(tài)堆積的概念來(lái)認(rèn)識(shí)，這是相對(duì)沿用的靜態(tài)堆積而言的。通常在選擇混凝土原材料和配合比時(shí)，是以各種原材料在加水之前的堆積盡量密實(shí)依據(jù)的，但是當(dāng)加不攪拌后，特別是在低水膠比條件下，如何通過(guò)粉狀顆粒為水化的交叉進(jìn)行，使初始水膠比盡量降低，混凝土

12、單位用水量盡量減少，配制出的混凝土在密實(shí)成型的前提下，經(jīng)過(guò)水化硬化過(guò)程，形成的微結(jié)構(gòu)應(yīng)該是更為密實(shí)。上述大摻量粉煤灰混凝土的案例申，混凝土的用水量?jī)H10Okg/m3左右，要比目前配制普通混凝土少好幾十公斤，就是明顯的證據(jù)。 清華大學(xué)閆培渝教授曾進(jìn)行過(guò)低水灰比(水膠比)摻/不摻粉煤灰凈漿的結(jié)合水測(cè)定試驗(yàn)：摻有30%粉煤類(lèi)，水膠比為0.24的凈漿，要比水灰比為0.24的純水泥漿在28d時(shí)的結(jié)合水還多，證實(shí)上述摻粉煤灰后改善了水泥在低水灰比條件下水化程度的說(shuō)法。因此低水膠比條件下大摻量粉煤灰混凝土早期的強(qiáng)度與空白混凝土接近，而后期仍有一定幅度的增長(zhǎng)。當(dāng)然，粉煤灰代替水泥用量大了，由于起激發(fā)作用的氫氧

13、化鈣含量減少，使粉煤灰的水化條件劣化，所以在不同條生下存在一最佳粉煤灰摻量，并不是越大越好。 從以上實(shí)例可以看出聚羧酸高效減水劑表現(xiàn)出來(lái)的幾大優(yōu)勢(shì)： 1、超大的減水率，它的減水率可達(dá)其他減水劑無(wú)法達(dá)到的30%以上，如此大的減水率可以使混凝土的水膠比降至0.3以下，進(jìn)而使混凝土的孔隙率大大降低，這樣就可以大大改善混凝土的抗?jié)B性能，改善混凝土的耐久性。 2、它對(duì)許多懶情的材料，有極強(qiáng)分散性，這樣就可以在混凝土中大量使用諸如粉煤灰、高爐廢渣，這樣就可以大大降低混凝土的造價(jià)，并通過(guò)降低混凝土的水化熱，而確?；炷恋捏w積穩(wěn)定性。3、聚羧酸高效減水劑采用低毒或無(wú)毒的有機(jī)大分子作原料，通過(guò)酯化、縮合、接枝等工藝合成，成品對(duì)人體無(wú)毒，避免了在混凝土工程中殘留毒性，以營(yíng)造一個(gè)綠色的居住環(huán)境。 4、聚羧酸高效減水劑采用不同于其它減水劑的機(jī)理，對(duì)混凝土坍落度進(jìn)行保持，這種機(jī)理可以使混凝土的經(jīng)時(shí)坍落度在保持狀態(tài)下，不顯著改變混凝土的凝結(jié)時(shí)間，使混凝土施工變得更加方便、快捷。中國(guó)是世界的硅酸鹽水泥生產(chǎn)大國(guó)，水泥年產(chǎn)量占世界一半以上，同時(shí)中國(guó)也是粉煤灰，高爐礦渣等工業(yè)為料排放量最大的國(guó)家，因此，我們?cè)谕七M(jìn)混凝土材料和工程技術(shù)時(shí)