高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與展望

1、3高性能減水劑的研究現(xiàn)狀與展望李崇智馮乃謙李永德覃維祖(清華大學(xué)土木系100084)摘要:本文概述了國(guó)內(nèi)外高性能減水劑的主要性能及發(fā)展現(xiàn)狀介紹了高性能減水劑的種類與組成提出了有關(guān)高性能減水劑的研究?jī)?nèi)容及今后研究方向。關(guān)鍵詞:高性能減水劑發(fā)展現(xiàn)狀展望Abstract:Inthispaperthemainpropertiesthepresentdevelopmentconditionofthehighperfmancewaterreduci

2、ngagentinthewldhavebeensummarizedthenthecompositesofvarioustypesomethingabouttheresearchcontentstrendshavebeenproposed.KeyWds:HighPerfmanceWaterreducingAgentPresentDevelopmentConditionResearchContentsTeends2001年第2期混凝土與水泥

3、制品2001No24月CHINACONCRETECEMENTPRODUCTSApril混凝土與混凝土施工0前言一般地高性能混凝土指具有高耐久、高強(qiáng)度、高流動(dòng)性的混凝土它與普通混凝土在原材料上的最大區(qū)別是以高性能減水劑和超細(xì)礦物摻和料作為混凝土的第五、第六必需組分它們的性能是當(dāng)前各國(guó)混凝土工程界與材料界關(guān)注的重點(diǎn)。超細(xì)礦物摻和料屬于無(wú)機(jī)非金屬材料對(duì)它的研究已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)。但是高性能混凝土的另一種關(guān)鍵材料———高性能減水劑它卻屬于有機(jī)化學(xué)材

4、料包括從材料種類與性質(zhì)特征、原材料選擇與合成工藝控制、產(chǎn)品分子形態(tài)結(jié)構(gòu)與性能等到水泥分散體系中減水劑的物化作用機(jī)理、減水劑對(duì)水泥水化性能的影響及其在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)等在理論和實(shí)際應(yīng)用方面還有待于深入系統(tǒng)地研究。1國(guó)內(nèi)外高性能減水劑的發(fā)展現(xiàn)狀從減水劑性能的變化方面來(lái)看可以簡(jiǎn)單地把減水劑的發(fā)展概括為三個(gè)階段:(一)普通減水劑的應(yīng)用與發(fā)展(二)高效減水劑、流化劑的合成與應(yīng)用階段(三)高性能減水劑的發(fā)展階段。20世紀(jì)三十年代初到六十年代英國(guó)、

5、美國(guó)、日本等國(guó)家已經(jīng)在公路、隧道等工程中使用了塑化劑和其它外加劑。早期使用的減水劑包括松香酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉、硬脂酸皂等有機(jī)物該時(shí)期的普通減水劑得到了廣泛應(yīng)用和較快發(fā)展。萘磺酸甲醛縮合物是1936年由Kennedy發(fā)現(xiàn)的日本在1962年由服部研制成功以萘磺酸鹽甲醛縮合物為主要成分的高效減水劑1964年聯(lián)邦德國(guó)研制成三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮合物的高效減水劑[2]此后從六十年代到七十年代末八十年代初萘系、三聚氰胺系產(chǎn)品作為高效減水劑、流化劑在許

6、多國(guó)家得到廣泛應(yīng)用和較大發(fā)展此階段產(chǎn)品的特點(diǎn)是減水率較高但保持混凝土流動(dòng)性的效果較差一般通過(guò)多次添加法、后摻法、與緩凝劑復(fù)合使用法來(lái)加以解決。但往往出現(xiàn)一些操作上或技術(shù)上的困難引起混凝土性能和質(zhì)量的不穩(wěn)定。1985年在日本發(fā)表了第一篇反應(yīng)性高分子用于萘系的高性能AE減水劑的論文此后保持混凝土塌落度的高性能減水劑得到日本有關(guān)部門的支持和重視。九十年代初伴隨高性能混凝土概念提出的同時(shí)聚羧酸系、三聚氰胺系、氨基磺酸系、改性木質(zhì)素磺酸系的高性能

7、減水劑得到迅速的開(kāi)發(fā)。隨著有關(guān)降低單位用水量和改善施工性能的對(duì)策不斷完善進(jìn)一步推動(dòng)了流動(dòng)化混凝土施工方法的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了預(yù)拌混凝土高減水、塌落度保持良好的目的。目前各國(guó)對(duì)聚羧酸系高性能減水劑的研究與應(yīng)用較多但得到成功推廣應(yīng)用的國(guó)家主要是日本。1995年以后聚羧酸系減水劑在日本的使用量已超過(guò)了萘系減水劑[3]。目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)仍是開(kāi)發(fā)新品種及新合成方法。在眾多系列的減水劑中聚羧酸系減水劑具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)如具有高減水、低塌落度損失、低摻

8、量、不緩凝、不受摻加時(shí)間影響等性能某些性能還可以通過(guò)生產(chǎn)合成而達(dá)到如用活性聚合方法可調(diào)整產(chǎn)品的分散性能和引氣性能另外環(huán)保問(wèn)題也可以得到很好的解決。隨著高強(qiáng)、超高強(qiáng)流動(dòng)性混凝土的需求量不斷增多需要能使混凝土水膠比在0.25以下且混凝土流動(dòng)性保持良好的一種高性能減水劑而聚羧酸類外加劑因其具有超分散性的特點(diǎn)且能阻止混凝土塌5體松散毛刺狀高分子、交聯(lián)高分子以抑制塌落度損失。該系列減水劑主要由分散性組分和分散保持組分或由分散性組分和具有分散保持功

9、能的分散性組分組成。(4)氨基磺系主要產(chǎn)物為芳香族氨基磺酸鹽聚合物該產(chǎn)物為具有分散保持功能的分散性組分緩凝作用較強(qiáng)它的吸附分散機(jī)理主要是DEVO理論和空間位阻理論。(5)聚羧酸系聚羧酸系減水劑的代表產(chǎn)物很多但其結(jié)構(gòu)都基本上遵循一定的規(guī)則即在重復(fù)單元的末端或中間位置帶有某種活性基團(tuán)(如聚氧烷基EO、—COOH、—COO、—SO3H、—SO3等)由一種或幾種低極性聚烯烴鏈或中等極性的聚酯鏈、聚丙烯酸酯鏈或強(qiáng)極性的聚醚鏈共聚合而成。主鏈中的活

10、性基團(tuán)鏈段通過(guò)離子鍵、共價(jià)鍵、氫鍵及范德華力等相互作用緊緊地吸附在強(qiáng)極性的水泥粒子表面上并改變其表面電位帶多個(gè)活性基團(tuán)的側(cè)鏈嵌掛在主鏈上當(dāng)吸附在固體顆粒表面時(shí)形成具有一定厚度的溶劑化層同時(shí)傳遞一定的靜電斥力。所選的單體主要有四種類:①不飽和酸———馬來(lái)酸酐、馬來(lái)酸和丙烯酸、甲基丙烯酸②聚鏈烯基物質(zhì)———聚鏈烯基烴、醚、醇、磺酸③聚苯乙烯磺酸鹽或酯④(甲基)丙烯酸鹽或酯、苯二酚、丙烯酰胺3高性能減水劑的研究?jī)?nèi)容3.1理論研究主要包括三個(gè)方

11、面:①對(duì)不同種類產(chǎn)品的合成、分子結(jié)構(gòu)與減水劑性能之間的關(guān)系等的研究②作用機(jī)理的研究③混凝土性能的研究等。如圖1所示它涉及到精細(xì)化工產(chǎn)品從生產(chǎn)到應(yīng)用全工序的各個(gè)階段。高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向是在分子主鏈或側(cè)鏈上引入強(qiáng)極性基團(tuán)羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等通過(guò)極性基與非極性基的比例可調(diào)節(jié)引氣性一般非極性基比例不超過(guò)30%可通過(guò)調(diào)節(jié)聚合物分子量而增大減水性、質(zhì)量穩(wěn)定性通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)鏈分子量增加立體位阻作用而提高分散性保持性能。國(guó)內(nèi)近年來(lái)開(kāi)始通

12、過(guò)分子設(shè)計(jì)而探索聚羧酸類高效減水劑的合成途徑從材料選擇、降低成本、提高性能等方面考慮而改進(jìn)合成工藝也僅僅是起步國(guó)外則偏重研究聚羧酸系減水劑的新拌混凝土有關(guān)性能、硬化混凝土的力學(xué)性能及工程使用技術(shù)但對(duì)減水劑的分子結(jié)構(gòu)表征、作用機(jī)理、水泥分散體系的物性和減水劑對(duì)水泥水化的影響等研究仍然很少。只有在深入研究理論的基礎(chǔ)上才能使開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品更加功能化、原材料更加多樣化、生產(chǎn)與使用環(huán)境生態(tài)化、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。3.2應(yīng)用技術(shù)的研究(1)在高強(qiáng)、超高強(qiáng)混

13、凝中的應(yīng)用高性能減水劑可使混凝土的水灰比下降到0.25以下而水泥用量仍可保持在500kgm3同時(shí)它的坍落度可保持200mm以上完全能滿足泵送需要從而可配制出高強(qiáng)、超高強(qiáng)混凝土。這類混凝土的應(yīng)用情況反映了整個(gè)國(guó)家的高性能減水劑的技術(shù)水平。北美、歐洲的一些國(guó)家和日本、澳大利亞等應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土相對(duì)較多[18]如美國(guó)的芝加哥、西雅圖、紐約、休斯敦加拿大的多倫多、德國(guó)的法蘭克福等均有多幢超高強(qiáng)高性能混凝土建筑日本不僅應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土

14、建造高層住宅而且用其制造預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁、預(yù)應(yīng)力混凝土樁、桁架、管、電桿等[19]。目前應(yīng)用超高強(qiáng)高性能混凝土最好的國(guó)家是挪威其已有C105級(jí)超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范此為目前世界上強(qiáng)度等級(jí)第二高的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(德國(guó)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已達(dá)C110級(jí))。挪威已在建造北海油田的鉆井平臺(tái)中使用超高強(qiáng)高性能混凝土并將超高強(qiáng)高性能混凝土廣泛用于道路工程明顯提高了混凝土路面的耐磨性適應(yīng)了挪威嚴(yán)寒地區(qū)汽車帶釘輪胎對(duì)路面的強(qiáng)磨蝕作用。近10年

15、來(lái)中國(guó)在混凝土技術(shù)方面取得了明顯的進(jìn)步。在普遍應(yīng)用C30、C40等級(jí)砼的基礎(chǔ)上C50、C60高性能混凝土的工程應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大C80混凝土已在預(yù)應(yīng)力管樁構(gòu)件中使用也有少量C80高強(qiáng)泵送混凝土在工程中應(yīng)用。(2)提高混凝土的耐久性一般說(shuō)來(lái)抗?jié)B性好的混凝土其密實(shí)性高耐久性也好。摻用減水劑可以減少混凝土的用水量從而提高混凝土的密實(shí)性有利于耐久性的提高引氣劑則可以改變混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)能使混凝土的抗?jié)B性能及抗凍性能有很大改善。在保持水灰比及流