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1、1高性能减水剂的作用机理探讨孙德锋（江苏省建筑工程公司中心试验室，南京 210036）提要：本文主要对几种高性能减水剂的性能、作用机理进行简要的综述。关键词：高性能减水剂 性能 作用机理近年来，随着经济的飞速发展及建筑技术的不断进步，大型、超高层的建筑越来越多地耸立在人们的眼前，而这一切都需要以高耐久性、高强度、高流动性高性能混凝土的配制技术为基础。众所周知，混凝土技术的发展离不开化学外加剂，而高效减水剂作为高性能混凝土中一种必不可少的组分，可以最大限度地控制混凝土的用水量，提高混凝土的耐久性，克服普通混凝土坍落度损失过快，缩短凝结时间等，因此其在现代混凝土技术和材料中发挥着重要的作用。减水剂
2、是一种在混凝土坍落度基本相同的条件下能大幅度减少拌合水用量的外加剂1。其主要有三种不同的作用:一是提高混凝土工作性能;二是在一定条件下降低水灰比，提高混凝土的强度和耐久性;三是在保证混凝土浇注性能和强度的条件下减少水和水泥用量，减少干缩、水泥水化热等引起的混凝土初始缺陷的因素。目前，新型高效减水剂正朝着以高流动性、高强度和高耐久性为主要特点的方向迅猛发展，它可以改善砼的性能，节省水泥和能源，提高施工速度和施工质量，改善工艺和劳动条件，节省投资，提高经济效益，对建筑业工业的发展具有重要的意义。本文主要对几种高性能减水剂的性能、作用机理进行简要的综述。1 减水剂的发展历史近代混凝土减水剂的发展已有
3、 60 多年的历史2。20 世纪 30 年代初3，美国、英国、日本等已经在公路、隧道、地下工程中使用木质素磺酸盐类减水剂。到 60 年代，混凝土减水剂得到了较快发展。1962 年，日本的服部健一等将萘磺酸甲醛高缩合物用作减水剂4。与此同时，前德意志联邦共和国研制成功了三聚氰胺磺酸盐甲醛缩聚物减水剂。另外，同时出现的还有多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物减水剂5。目前国外对萘系、三聚氰胺系等高效减水剂的研究和应用已日趋完善，并开始转向对聚羧酸盐系高性能减水剂的开发与研究。90 年代，日本在该领域投入了大量的人力与资源，并获得了成功，开发出了一系列性能较为优异的聚羧酸盐系减水剂。1995 年以后，聚羧酸盐系
4、减水剂在日本的使用量超过了萘系减水剂6。聚羧酸盐系高效减水剂是直接用有机化工原料通过接酯共聚反应合成的高分子表面活性剂，它不仅能吸附在水泥颗粒表面上，使水泥颗粒表面带电而互相排斥，而且还因具有支链的位阻作用，从而对水泥分散的作用更强、更持久。因此，聚羧酸盐系减水剂被认为是目前最高效的新一代减水剂。我国从 50 年代初开始使用混凝土减水剂，主要类型是纸浆废液(木质素磺酸2钙)塑化剂。到 70 年代7，中国开始研制萘系和三聚氰胺系高效减水剂。在 80 年代，典型的三类高效减水剂，即萘系、多环芳烃和三聚氰胺减水剂都相继研制成功并投入使用。现在国内越来越多的大学和科研机构已开始把目光转向了新型的聚羧酸
5、盐系高效减水剂。2 高效减水剂的种类和特点高效减水剂的分类方式很多4，如按功能分可以分为引气型、早强型、缓凝型、保塑型减水剂等;按生产原料不同分则可分为萘系减水剂、蒽系减水剂、甲基萘系减水剂、古马隆系减水剂、三聚氰胺系减水剂、氨基磺酸盐系减水剂、磺化煤焦油减水剂、脂肪族系减水剂、丙烯酸接枝共聚物减水剂等。该方法也可分为芳烃系减水剂（主要包括三环(蒽)、双环(萘)、单环(氨基磺酸甲醛缩合物)系减水剂）和非芳烃系减水剂。3 高效减水剂对混凝土性能的作用1减水剂的功能是在不减少水泥用水量的情况下，改善新拌混凝土的工作度，提高混凝土的流动性;在保持一定工作度下，减少水泥用水量，提高混凝土的强度;在保持
6、一定强度情况下，减少单位体积混凝土的水泥用量，节约水泥;改善混凝土拌合物的可泵性以及混凝土的其它物理力学性能。当混凝土中掺入高效减水剂后，可以显著降低水灰比，并且保持混凝土较好的流动性。通常而言，高效减水剂的减水率可达 20%(质量分数，下同)左右，而普通减水剂的减水率为 10%左右。目前，一般认为减水剂能够产生减水作用主要是由于减水剂的吸附和分散作用所致。研究混凝土中水泥硬化过程可以发现，水泥在加水搅拌的过程中，由于水泥矿物中含有带不同电荷的组分，而正负电荷的相互吸引将导致混凝土产生絮凝结构(如图 1 所示)。絮凝结构也可能是由于水泥颗粒在溶液中的热运动致使其在某些边棱角处互相碰撞、相互吸引
7、而形成。由于在絮凝结构中包裹着很多拌合水，因而无法提供较多的水用于水泥水化，所以降低了新拌混凝土的和易性。因此，在施工中为了使水泥能够较好地水化，就必须在拌合时相应地增加用水量，但用水量的增加将导致水泥石结构中形成过多的孔隙，致使其物理力学性能下降。加入混凝土减水剂就是将这些多余的水分释放出来，使之用于水泥水化，因而可在不降低混凝土物理力学性能的条件下，减少拌合水用量。 混凝土中掺入减水剂后，可在保持水灰比不变的情况下增加流动性。一般的减水剂在保持水泥用量不变的情况下，使新拌混凝土坍落度增大 10cm 以上，高效减水剂可配制出坍落度达到 25cm 的混凝土。减水剂除了有吸附分散作用外，还有湿润
8、和润滑作用。 3水泥加水拌合后，水泥颗粒表面被水所湿润，而这种湿润状况对新拌混凝土的性能影响甚大。湿润作用不但能使水泥颗粒有效地分散，亦会增加水泥颗粒的水化面积，影响水泥的水化速率。 减水剂中的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面上，它们很容易和水分子以氢键形式缔合。这种氢键缔合作用的作用力远远大于水分子与水泥颗粒间的分子引力。当水泥颗粒吸附足够的减水剂分子后，借助于磺酸基团负离子与水分子中氢键的缔合，再加上水分子间也缔合氢键，水泥颗粒表面便形成一层稳定的溶剂化水膜，而这层膜起到了立体保护作用，阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起润滑作用。减水剂的加入，伴随着引入一定量的微气泡(即使是非引气
9、型的减水剂，也会引入少量气泡)。这些微细气泡被因减水剂定向吸附而形成的分子膜所包围，并带有与水泥质点吸附膜相同符号的电荷，因而气泡与水泥颗粒间产生电性斥力，从而增加了水泥颗粒间的滑动能力。由于减水剂的吸附分散作用、湿润作用和润滑作用，因而只要使用少量的水就能容易地将混凝土拌合均匀，从而改善了新拌混凝土的和易性。图 2 为减水剂的减水作用示意图。4 减水剂的化学组成及性能根据我们对芳烃系减水剂的分类标准,把各类减水剂的化学组成列于表 1 中,并总结其主要作用特征。由表 1 可见,萘系和蒽系高效减水剂,具有平面刚型结构,属于离子型表面活性剂,主要作用特征是磺酸基阴离子静电斥力,符合上述的静电斥力理
10、论;而氨基磺酸系减水剂支链多具有立体结构,分支多,疏水分子链多,空间位阻起主要作用。45 今后研究方向芳烃系减水剂,生产工艺相对简单,污染小,有利于环保,但各类各有各的优缺点。如何使之成为符合社会发展的高性能减水剂,通常有如下两种途径。一是几种减水剂复配；二是对分子结构进行改性。由此可见,只要我们对同一系列减水剂,通过反应使之具有不同的官能团,从中发现其规律性的联系,继而将两个不同系列的高分子减水剂接枝到一体,克服他们各自的缺点并兼具两者的优点,就可以设计出新型多功能高效减水剂。6 结束语本文主要对减水剂的发展历史，性能结构及机理进行了简单的综述。由于目前对混凝土的需求和性能要求会越来越高。高
11、性能减水剂作为混凝土的第五组分对其性能要求也将会越来越高。因此,从分子设计的角度,在高性能减水剂的化学组成与结构特征的关系、作用机理等方面进行深入系统的研究,开发出具有更高减水率及更高缓凝保坍性能的减水剂,以满足配制高性能混凝土的需求,无疑对我国的经济和社会发展具有重要的意义。5参 考 文 献1 熊大玉,王小虹.混凝土外加剂.北京:化学工业出版社,2002.2Pierreclaude Developments in the application of high performance concretesJ.Construction and building material,1995,9(1
12、):13 17.3 李永德,陈荣军,李崇智.高性能减水剂的研究现状与发展方向.混凝土,2002,(9):10 14.4 黄知清,王晓峰,覃 勇.混凝土减水剂的研究进展及其发展趋势.广西化纤通讯,2001,19(2):32 37.5 杨 华,舒子斌.混凝土减水剂的应用及发展.四川师范大学学报,1996,19(6):66 70.6 李崇智,冯乃谦,李永德,等.高性能减水剂的研究现状与展望.混凝土与水泥制品,2001,(2):3 6.7 陈建奎.混凝土外加剂的原理与应用.北京:中国计划出版社,1997.8迟培云,张 蕾,王 涛.流动性高强混凝土的配制技术.低温建筑技术,2002,(3):21-22 9 詹 锋.减水剂在混凝土施工中的应用.嘉兴学院学报,2003,15(3):53-5510 刘秉京.高效减水剂与水泥的适应性.混凝土,2002,(9):20-2511晏 伟.浅谈掺减水剂节省水泥用量的机理.安徽建筑,2002,(4):59-60
