閱讀 3258 次 淺談聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的應(yīng)用性能

淺談聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的應(yīng)用性能

裴洪濤 1 楊利民2

西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 710000 西安

陜西省建筑科學(xué)研究院 710082 西安

     前言

     減水劑是指由不飽和單體和其他單體共聚而成，用于水泥混凝土中具有減水率高、坍落度損失小、適量引氣、質(zhì)量穩(wěn)定、能提高混凝土耐久性和使用壽命的外加劑，具有摻量低、適應(yīng)性好、環(huán)保無(wú)污染特點(diǎn)。由于該產(chǎn)品的綜合性能優(yōu)異，因此被稱為第三代減水劑，它的作用機(jī)理也有別于常用高效減水劑。但由于聚羧酸減水劑敏感性和適應(yīng)性差，加之各地原材料組分的差異，使其推廣應(yīng)用受到極大的限制。本文結(jié)合本地區(qū)混凝土原材料情況及工程實(shí)踐，從減水劑機(jī)理、水泥、摻合料、骨料的適應(yīng)性、生產(chǎn)控制、施工養(yǎng)護(hù)等方面分析其應(yīng)用性能。

     1 、聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的作用機(jī)理

    聚羧酸高效減水劑是一種高分子共聚物，其主鏈上常含有羧基、羥基、磺酸基、聚氧化乙烯基等官能團(tuán)。這些不同的官能團(tuán)在與水泥顆粒接觸時(shí)表現(xiàn)出各種性能，如破壞水泥絮凝結(jié)構(gòu)，分散水泥顆粒、延緩水泥顆粒的水化、引氣等作用，還可以改變混凝土拌合物及水泥砂漿的和易性。其最主要的作用就是分散性能。由于聚羧酸高效減水劑的分散性能好，減水率可達(dá)40%以上。其對(duì)水泥顆粒的分散機(jī)理包括幾個(gè)方面：

     （1）空間位阻作用

     聚羧酸高效減水劑的分子上側(cè)鏈基團(tuán)提供了較強(qiáng)的空間斥力，吸附了減水劑分子的水泥顆粒表面，形成了有一定厚度的聚合物分子吸附層。當(dāng)水泥顆粒相互靠近時(shí)，顆粒之間產(chǎn)生斥力作用，靠的越近，斥力越大。正是由于這種斥力作用，水泥顆粒之間相互排斥而滑動(dòng)，這就增大了水泥凈漿的流動(dòng)性。

     （2）靜電斥力作用

     減水劑添加到水泥凈漿后，定向吸附在水泥顆粒表面，其部分極性基團(tuán)指向液相。由于親水極性基團(tuán)的電離作用，使水泥顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，水泥顆粒絮凝結(jié)構(gòu)打開(kāi)，釋放出絮團(tuán)中的自由水，從而有效地增大了混凝土拌合物的流動(dòng)性。聚羧酸減水劑分子中，帶有磺酸根離子、羧酸根離子(-COOH)、羥基(-OH)和醚鍵(-O-)等，加強(qiáng)了吸附減水劑顆粒間的靜電斥力作用。其對(duì)水泥顆粒的分散減水機(jī)理模型。

     （3）降低水泥顆粒固液界面能

     聚羧酸高效減水劑也是表面活性劑，在固液界面上具有很強(qiáng)的吸附能力，能夠降低水泥顆粒固-液界面能，提高水泥顆粒的分散。

     （4）水化膜潤(rùn)滑及潤(rùn)濕作用

     聚羧酸高效減水劑的分子主鏈上含有較強(qiáng)的極性基團(tuán)和水分子形成氫鍵，在水泥顆粒表面形成一層穩(wěn)定、有一定機(jī)械強(qiáng)度的水化膜。水化膜的形成可破壞水泥顆粒的絮凝結(jié)構(gòu)，釋放其中的自由水，使水泥顆粒充分分散，同時(shí)對(duì)混凝土拌合物內(nèi)部物質(zhì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有潤(rùn)滑作用，使混凝土拌合物的流動(dòng)性增大。

     （5）引氣隔離“滾珠”作用

     聚羧酸減水劑分子中含有大量的羥基、羧基及醚基等極性基，這些極性基有較強(qiáng)的“液－氣”界面活性，聚羧酸高效減水劑吸附在水泥顆粒表面后，能顯著降低液氣界面張力，具有一定的引氣作用。摻入混凝土拌合物中，能吸附在液氣界面上，形成許多微小氣泡。聚羧酸減水劑的分子定向排列在氣泡的液氣界面上，使氣泡表面形成一層水化膜。氣泡與氣泡之間、氣泡與水泥顆粒之間均產(chǎn)生靜電斥力，對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生隔離作用，阻止水泥顆粒凝聚。另外，氣泡的“滾珠”形態(tài)和浮托作用，也有助于混凝土拌合物內(nèi)部物質(zhì)間的相對(duì)滑動(dòng)。

     2、聚羧酸減水劑的特點(diǎn)

     （1）聚羧酸減水劑的引氣性

     聚醚是合成聚羧酸減水劑大分子的一個(gè)長(zhǎng)側(cè)鏈，在混凝土中其含量的大小會(huì)影響含氣量的高低。從混凝土性能上看，適量的引氣可改善混凝土的流動(dòng)性、可泵性、保水性及耐久性。但過(guò)量的引氣對(duì)混凝土不但達(dá)不到上述改善其強(qiáng)度的作用，反而會(huì)因含氣量過(guò)高、氣泡過(guò)大而降低其強(qiáng)度。其解決的措施一是減水劑與消泡劑復(fù)配，雖然消泡劑的種類很多，但與聚羧酸減水劑相容的卻很少，消泡劑總是從水中分離出來(lái)并漂浮在表面，這種外加劑的不均勻性導(dǎo)致了混凝土的不可預(yù)測(cè)性；措施二是在合成時(shí)引入適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)嵌段，可有效消除其引氣作用。有資料表明：采用一種具有高反應(yīng)性基團(tuán)的物質(zhì)與具有消泡功能的嵌段聚醚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再利用其余的活性羧基與帶有雙鍵的丙烯酸類單體進(jìn)行接枝反應(yīng)，從而制得一種具有消泡功能的大單體組分，后與其他組分共聚合，從而得到儲(chǔ)存十分穩(wěn)定的高效減水劑，而且可以調(diào)整功能性組分的比例來(lái)滿足不同混凝土對(duì)含氣量的要求。

     （2）聚羧酸減水劑與其它外加劑的相容性

     傳統(tǒng)的減水劑，如木質(zhì)素磺酸鹽減水劑、萘系高效減水劑、密胺系高效減水劑、氨基磺酸鹽高效減水劑以及脂肪族高效減水劑，可以彼此間復(fù)配使用，可滿足不同工程的特殊配制要求，獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。這些減水劑復(fù)配使用能夠得到疊加效果，而且這些減水劑的溶液都可以互溶（除木質(zhì)磺酸鹽減水劑與萘系減水劑互溶產(chǎn)生部分沉淀但不影響使用效果外）。而聚羧酸減水劑與其他品種減水劑復(fù)配往往不能互溶或互溶后沒(méi)有疊加效應(yīng)，有時(shí)還會(huì)使摻加聚羧酸減水劑的混凝土流動(dòng)性降低，或保坍性降低，或增加了混凝土的泌水離析。

     （3）聚羧酸減水劑的減縮抗裂性

     混凝土收縮是指因內(nèi)部和表層濕度的變化、化學(xué)反應(yīng)等因素而引起的宏觀體積變化，當(dāng)收縮在約束狀態(tài)下引起應(yīng)力超過(guò)混凝土自身的抗拉極限時(shí)，很容易引起開(kāi)裂，加速各種有害介質(zhì)的侵入，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性。聚羧酸減水劑摻入后，降低了固液的表面張力，增強(qiáng)了混凝土的減縮抗裂性能。在相同水溶液濃度的情況下，聚羧酸減水劑的減縮能力可接近混凝土減縮劑的減縮能力。

     （4）聚羧酸減水劑的適應(yīng)性問(wèn)題

     所謂適應(yīng)性是指外加劑在相同條件下，因水泥、砂石、摻合料、溫度等因素的不同而造成使用效果有較大的差異、甚至是完全不同的程度。聚羧酸減水劑通過(guò)近兩年來(lái)在鐵路建設(shè)工程中的大量應(yīng)用和在橋梁工程中的實(shí)踐，證明其適應(yīng)性相對(duì)較差。混凝土原材料種類、產(chǎn)地等因素的微小變化都會(huì)造成新拌混凝土性能出現(xiàn)變化，這一特點(diǎn)與萘系減水劑具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)截然不同。而要解決這一問(wèn)題，必須深入細(xì)致的掌握聚羧酸減水劑的性能特點(diǎn)，并結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧系男阅埽�通過(guò)大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，以便更好地發(fā)揮聚羧酸減水劑在水泥混凝土中的高效減水作用。

     （5）水泥對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響

     水泥是一個(gè)地域性很強(qiáng)的產(chǎn)品，由于各地域生產(chǎn)水泥熟料的原材料礦物質(zhì)組分存在不同程度的差異，而水泥熟料的礦物組份微小的變化都可引起混凝土性能的巨大變化，同時(shí)調(diào)凝劑的品種、石膏結(jié)晶的形態(tài)、水泥中的堿含量、水泥的比表面積及顆粒級(jí)配、混合材的種類及摻量、助磨劑的成分、水泥的置放時(shí)間等因素都會(huì)影響到外加劑的性能性，都可能引起混凝土拌合物性能的變化。因此對(duì)每一批次的水泥使用之前，需進(jìn)行適應(yīng)性能的測(cè)試，以便及時(shí)調(diào)整外加劑的配方，這樣才能充分保證聚羧酸減水劑的有效利用。

     （6）摻合料對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響

     聚羧酸減水劑可提高粉煤灰混凝土拌合物的和易性，減少泌水和離析。使用I級(jí)粉煤灰效果好于II級(jí)灰和III級(jí)灰。與傳統(tǒng)萘系減水劑相比，混凝土的用水量小，泌水率降低，混凝土的凝結(jié)時(shí)間與摻萘系減水劑相比也大大縮短，避免了過(guò)去靠緩凝劑保坍的缺陷。單摻礦粉時(shí)其減水率增長(zhǎng)幅度減小，混凝土的保坍性能也略有降低，但基本上沒(méi)有泌水。當(dāng)雙摻粉煤灰和礦粉時(shí)混凝土的保坍性能又可得到改善。總體來(lái)說(shuō)聚羧酸減水劑適用大摻量礦物摻合料的混凝土，不但可以在降低混凝土用水量的同時(shí)大大改善混凝土拌合物的綜合性能，還能有效降低混凝土的成本。

     （7）集料對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響、

     粗集料（碎石）中的石粉含量、（卵石）中的含泥量、細(xì)集料（砂子）中的含泥量和泥塊含量等都會(huì)影響聚羧酸減水劑的減水性能和保坍性能。為提高混凝土流動(dòng)性的保持能力，需要提高聚羧酸減水劑的保坍效果。

     （8）拌合水對(duì)聚羧酸減水劑性能的影響

     混凝土拌合用水的來(lái)源一般為河水、自來(lái)水。而地下水中含有許多組分的礦物質(zhì)，會(huì)大大影響聚羧酸減水劑的吸附能力，降低聚羧酸減水劑的減水能，導(dǎo)致混凝土拌合物的和易性變差。解決此類問(wèn)題，需在使用之前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試拌，合同選擇原材料并正確調(diào)整配方。

     3、聚羧酸減水劑在工程應(yīng)用中必須注意的幾個(gè)問(wèn)題

     （1）選擇性價(jià)比高、質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品尤為重要

     從聚羧酸減水劑在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀看，生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平有較大的差異。其材料來(lái)源也不盡相同，生產(chǎn)聚羧酸所用的聚乙二醇（統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為聚醚）等主要從德國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)進(jìn)口；另一主要原材料（甲基）丙烯酸正處于在引進(jìn)和消化、擴(kuò)大規(guī)模的過(guò)程中；其他單體與輔助原材料若進(jìn)口則材料成本高，而國(guó)內(nèi)生產(chǎn)則產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證；原材料的不確定性使聚羧酸減水劑質(zhì)量良莠不齊。生產(chǎn)過(guò)程的控制一直是聚羧酸生產(chǎn)的難點(diǎn)與重點(diǎn)，酯化產(chǎn)物的質(zhì)量及其穩(wěn)定性對(duì)于最終減水劑產(chǎn)品的質(zhì)量及其穩(wěn)定性的影響很大。

     （2）聚羧酸減水劑的用量需適當(dāng)

    聚羧酸減水劑的作用效果對(duì)其摻量、用水量十分敏感，超摻或欠量都會(huì)引起浪費(fèi)并降低混凝土性能。聚羧酸減水劑摻量過(guò)大會(huì)引起離析、泌水而使減水、增強(qiáng)效果下降。在用水量上它截然不同于萘系木質(zhì)素磺酸鹽減水劑，一般增加10~15kg/m3用水量，混凝土拌合物不會(huì)出現(xiàn)泌水、離析現(xiàn)象，而采用聚羧酸減水劑即使增加1~3 kg/m3用水量，混凝土拌合物立刻嚴(yán)重泌水，無(wú)法保證澆注主體的勻質(zhì)性，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)麻面、起砂、孔洞等缺陷。

     （3）生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程控制必須嚴(yán)格

     使用聚羧酸減水劑前，必須將外加劑秤、攪拌機(jī)、運(yùn)輸罐車(chē)清洗干凈，禁止與萘系等其他系列外加劑混合。由于混凝土運(yùn)輸過(guò)程中路途遙遠(yuǎn)、堵車(chē)或等待澆注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或不可預(yù)測(cè)原因使混凝土坍落度損失過(guò)大時(shí)，也可以采用二次添加減水劑的方法，恢復(fù)混凝土的流動(dòng)性，不得隨意添加，一但過(guò)量極易造成離析、泌水、甚至分層，施工中是否需要二次添加，添加多少應(yīng)有技術(shù)人員經(jīng)嚴(yán)格試驗(yàn)后方可進(jìn)行。

     （4）施工中加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)不可忽視

     雖然聚羧酸減水劑本身具有抗裂性，能夠降低混凝土的干燥收縮，但不等于摻聚羧酸減水劑的混凝土可以放松養(yǎng)護(hù)或不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。與其他外加劑一樣，摻聚羧酸減水劑的混凝土澆注振搗密實(shí)后的二次抹壓、薄膜覆蓋或噴霧等防止塑性收縮的措施非常必要，而連續(xù)7天以上的保濕養(yǎng)護(hù)不僅是混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的需要，也是防止其干燥收縮裂縫的基本保障。

     結(jié)束語(yǔ)

     聚羧酸減水劑的應(yīng)用性能比較復(fù)雜，只有了解、掌握聚羧酸減水劑的應(yīng)用性能，正確解決聚羧酸減水劑與混凝土原材料的適應(yīng)性問(wèn)題，進(jìn)行科學(xué)合理的配合比設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，并深入質(zhì)量跟蹤，才能充分發(fā)揮出聚羧酸減水劑在混凝土應(yīng)用中的優(yōu)越性能。

     作者簡(jiǎn)介：

     裴洪濤，陜西西安，1979年12月生，男，工程師，西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，研究方向：市政及隧道工程

     聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)東關(guān)南街216號(hào)佳銘東郡1413室

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 (本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)     文徑網(wǎng)絡(luò)：劉軍呂琳琳 編輯  劉真 文徑 審核)