我國混凝土高效減水劑生產應用現(xiàn)狀與發(fā)展方向

 

孫振平  蔣正武  金慧忠  王培銘  張冠倫

(同濟大學混凝土材料研究實驗室，中國上海200092)

金  璘

(卜賽特化工有限公司，意大利Filago 24040)

 

    摘要：本文簡要回顧了我國混凝土高效減水劑研制、生產和應用歷史，闡述了幾種主要類型高效減水劑的性能特點和應用現(xiàn)狀。認為，今后必須加大科研力度，一方面努力研究開發(fā)如聚羧酸鹽系等新型高性能減水劑品種，另一方面，仍然要從萘系、密胺系等傳統(tǒng)高效減水劑分子結構本身出發(fā)進行改性，并且通過復合手段，解決萘系、密胺系和聚羧酸鹽系減水劑在實際應用中所面臨的特殊技術難題，并滿足混凝土工程對外加劑多功能化的需求。

    關鍵詞：高效減水劑；萘系高效減水劑；聚羧酸鹽系高效減水劑；改性

 

 

Sun Zhenping  Jiang Zhengwu  Jin Huizhong  Wang Peiming  Zhang Guanlun

 (Laboratory of Concrete Materials Research, Tongji University,

Shanghai 200092, China)

Jin Lin

(Bozzetto Chemical Co., Ltd., Filago 24040, Italy)

 

    Abstract: The History of inventing, producing and application of superplasticizers in China is recalled, and the characteristics and application status of the main type superplasticizers are summarized. The authors consider that, in order to meet the further demand of the modern concrete constructions, much more research work should be emphasized on: 1)development of new type superplasticizers such as polycarboxylene based superplasticizer, and 2)modification of the molecule structure of naphthalene and melamine based superplasticizers and finally solving of the new problems on site by means of composting methods.

 

    Key words: superplasticizer; naphthalene based superplasticizer; polycarboxylene based superplasticizer; modification

 

    中圖分類號：TU528      文獻標識碼：A

 

    基金項目：國家973基礎項目研究計劃(2001CB610704-1)；上海市青年科技啟明星計劃(04qmx1428)

作者簡介：孫振平(1969-)，男，新疆奇臺人，同濟大學材料科學與工程學院副教授，博士

 

    混凝土減水劑是指摻加后能在保持流動性基本相同的情況下，使混凝土用水量減少，從而提高混凝土強度和耐久性，或者在水泥用量和水灰比不變的情況下，增加混凝土流動性，改善混凝土施工性的外加劑。按照減水增強效果的不同，混凝土減水劑分為普通減水劑和高效減水劑兩大類。根據《GB8076-1997 混凝土外加劑》標準，高效減水劑是指減水率大于10%的減水劑。目前，高效減水劑雖然已有多種，但為滿足混凝土配制技術新要求，高效減水劑還將繼續(xù)向新品種化、高性能化和多功能化等方向發(fā)展。本文簡要介紹高效減水劑的發(fā)展情況、主要品種及其特性，并展望其今后的發(fā)展方向，相信會對我國混凝土高效減水劑的科研和生產行業(yè)的投入有所裨益。

 

    實際上，早在1938年，以萘磺酸鹽為主要成分的分散劑技術就在美國取得專利，這算得上是高效減水劑的前身。因為當時混凝土的設計強度低(C20-C30)，完全可以通過調節(jié)用水量來達到所需要的工作性，并保證強度，再加上水泥價格相對較便宜，從經濟上考慮，沒必要減少混凝土中水泥用量。在以后較長時間內，只有文沙樹脂引氣劑、氯鹽類早強劑和用紙漿副產品制成的木質素磺酸鹽普通減水劑占據著混凝土外加劑的主要市場。

 

    1962年，日本花王石堿公司的服部健一博士研制成功了b－萘磺酸鹽甲醛縮合物（以下簡稱“萘系”）高效減水劑；1963年，德國研制成功三聚氰胺甲醛樹脂磺酸鹽（以下簡稱“密胺系”）高效減水劑，并投入生產應用，真正算作歷史上最早出現(xiàn)的兩類高效減水劑產品。20世紀70年代中、后期，這兩類高效減水劑也相繼在我國開發(fā)研制成功，并投入生產應用。到20世紀70年代末80年代初，為了充分利用地方性原材料，降低生產成本，蒽系高效減水劑應運而生，而脂肪族高效減水劑(羰基焦醛高效減水劑)則是最近5年才開始生產應用的。近來，隨著工程實際對混凝土各項技術性能要求的提高，氨基磺酸鹽系和聚羧酸系高效減水劑相繼研制成功并投入生產。新品種高性能減水劑的出現(xiàn)，極大地豐富了我國高效減水劑的市場，但在產品推廣和實際應用技術方面仍存在一定問題^{[1-3，8-10]}。

 

    屈指算來，我國高效減水劑生產應用已有30余年歷史，其用量逐年增長(2003年產量73萬噸，比1998年增加265%)，用途越來越廣，應用經驗也越來越豐富。典型的例子，摻有高效減水劑的C60混凝土在上海一次泵送到“東方明珠”電視搭350m高的搭頂，而在金茂大廈建設中，摻有高效減水劑的混凝土更是被一次泵送至420.5m的高度，可以說不斷創(chuàng)造新的世界記錄。上海環(huán)球金融中心大樓設計凈高為492m，其結構混凝土的施工澆注將對高效減水劑的性能提出更高的要求。

 

    當前，隨著我國經濟的飛躍和大型工程的建設，大體積、高泵程混凝土的施工越來越多地擺在我們面前。混凝土的商品化則對摻高效減水劑混凝土的流動性保持性提出了更高要求。深入了解各種高效減水劑的品種、特性和適宜應用領域，有助于我們在實際工程中正確選擇，有助于使這些產品更好地服務于混凝土工程實踐，產生最佳的經濟和社會效益。

 

 

    萘系、蒽系(聚次甲基蒽磺酸鹽)、甲基萘系(聚次甲基甲基萘磺酸鹽)、古馬隆系(聚氧茚樹脂磺酸鹽)等都屬于這一類，其結構特點是憎水性的主鏈為亞甲基連接的雙環(huán)或多環(huán)的芳烴，親水性的官能團則是連在芳環(huán)上的-SO₃M等。ß－萘磺酸鹽甲醛縮合物即萘系減水劑的結構如圖1所示。

圖1 萘系減水劑分子結構示意圖

 

    萘系高效減水劑根據其產品中Na₂SO₄含量的高低，可分為高濃型產品(Na₂SO₄含量<3%)、中濃型產品(Na₂SO₄含量3%-10%)和低濃型產品(Na₂SO₄含量>10%)。萘系減水劑的減水率高低與其摻量有直接關系。過去，由于萘系高效減水劑多數(shù)情況下在工地現(xiàn)場混凝土攪拌中使用，主要采用粉劑形式摻加，人們對產品中的Na₂SO₄含量多少不甚關心。但是當萘系高效減水劑以液體形式供應使用時，氣溫較低(一般15^oC以下)會使產品中產生Na₂SO₄結晶，嚴重影響計量精度和使用效果。為了降低產品中的結晶程度和徹底消滅結晶現(xiàn)象，生產廠一般采用KOH、Ca(OH)₂代替NaOH進行中和，或者增加低溫抽濾的工序將Na₂SO₄除去。目前大多數(shù)萘系高效減水劑合成廠都具備將Na₂SO₄含量控制在3%以下的能力，有些先進企業(yè)甚至可將其控制在0.4%以下。

萘系高效減水劑的減水率較高(15%-25%），基本上不影響混凝土的凝結時間，引氣量低（<2%），提高混凝土強度效果較明顯。

 

    萘系高效減水劑的缺點之一是與水泥/摻合料的適應性問題，這與減水劑本身的磺化程度、聚合度、中和離子的種類，Na₂SO₄含量、摻加時的狀態(tài)，摻量、摻加方法，以及水泥/摻合料的化學成分、礦物組成、堿含量、石膏形態(tài)及與鋁酸鹽比例、細度等因素有關^[8-10]。

    萘系高效減水劑的缺點之二是摻加后混凝土