新型高效減水劑的現(xiàn)狀與應(yīng)用

1  聚羧酸系高效減水劑

    多年來(lái)，科研和生產(chǎn)部門(mén)采用把減水劑與緩凝劑的復(fù)合物摻入混凝土以使坍落度損失有所減緩，但仍未根本上解決問(wèn)題。聚羧酸系減水劑的問(wèn)世，使高流動(dòng)、低坍落度損失混凝土的制備得以實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，通過(guò)“分子設(shè)計(jì)”合成聚羧酸系高性能減水劑并探討其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究非?；钴S。聚羧酸系物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)特性具有很多優(yōu)點(diǎn)，低摻量發(fā)揮高效塑化效果、坍落度保持性好、水泥適應(yīng)性廣、減水效率高、分子構(gòu)造上自由度大、合成技術(shù)多，因而高性能化的余地很大。

    在結(jié)構(gòu)特征上，聚羧酸系減水劑完全不同于傳統(tǒng)的萘磺酸甲醛縮合物或磺化三聚氰胺甲醛縮合物類高效減水劑，其親水性的官能團(tuán)主要為羧基，而憎水性的聚合物主鏈則主要是脂肪族結(jié)構(gòu)單元，在線形主鏈上還帶有許多一定長(zhǎng)度的側(cè)鏈，形成所謂的梳形結(jié)構(gòu)。它的分散和分散保持性能與化合物的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，良好的結(jié)構(gòu)特征可以使其在混凝土中作為減水劑使用時(shí)，在用量很小的情況下就會(huì)對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生很強(qiáng)的分散作用，而且這種分散作用還不會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而明顯降低，即表現(xiàn)出較好的坍落度保持性能。

    聚羧酸系高性能減水劑是配制免振搗自密實(shí)高性能混凝土和高強(qiáng)超高強(qiáng)高性能混凝土的首選外加劑，混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)變化較大，性能得到顯著改善。聚羧酸系高效減水劑可以在保持混凝土的工作性和高流動(dòng)性的條件下，使混凝土的水灰比降至最低。但并非所有的聚羧酸系高效減水劑都是高性能減水劑，分子結(jié)構(gòu)不良的聚羧酸系高效減水劑很難適應(yīng)現(xiàn)代水泥和混凝土技術(shù)的要求。如何從不同的結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)合適的合成途徑和工藝條件，從而研究其結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，進(jìn)而確定含羧基聚合物的最佳組成和結(jié)構(gòu)是混凝土減水劑研究領(lǐng)域一個(gè)有重要意義且有待于突破的大課題。

2　高效減水劑在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

    抗壓強(qiáng)度超過(guò)50～60ＭＰａ的混凝土通常被認(rèn)為是高強(qiáng)混凝土，其重要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐久性好、變形小。20世紀(jì)60～70年代，高效減水劑的應(yīng)用使混凝土業(yè)出現(xiàn)了驚人的進(jìn)展，突出地體現(xiàn)在水灰比從小于0.50大幅度地降低到可以小于0.30甚至更低，從而混凝土能夠迅速地硬化，強(qiáng)度大大提高。以高強(qiáng)度混凝土建造的高層建筑物和大跨橋梁迅速獲得應(yīng)用，施工工期縮短和模板周轉(zhuǎn)加快。

    目前，獲得高強(qiáng)混凝土的最基本途徑是選擇優(yōu)質(zhì)的膠凝材料、骨料與高效減水劑，然后優(yōu)化這些材料的配比。其關(guān)鍵是減少基體中的孔隙率，微裂紋和脆弱晶體結(jié)構(gòu)，還要促進(jìn)集料界面過(guò)渡區(qū)的強(qiáng)度和質(zhì)量。為了達(dá)到上述目的，降低水灰比是主要方法。實(shí)踐表明，水灰比為0.3以下的混凝土材料比水灰比為0.4以上的具有明顯優(yōu)越的質(zhì)量，且當(dāng)水灰比降低到水泥漿體完全水化所需理論最低值時(shí)，強(qiáng)度仍然增加。因此，高效減水劑是制備高強(qiáng)混凝土必不可少的組分。1988年在美國(guó)西雅圖nion Square Building工程建設(shè)中，使用的133 MPa高強(qiáng)混凝土，采用了高效減水劑，水灰比都在0.4以下，不僅可以確保建筑物的大空間、降低工程的總造價(jià)，而且混凝土非常密實(shí)，能保持在嚴(yán)酷環(huán)境條件下提高其耐久性。

    然而，隨著混凝土制備強(qiáng)度進(jìn)一步提高，水泥和高效減水劑之間的相容性問(wèn)題已引起普遍關(guān)注，減水劑的飽和點(diǎn)摻量、流動(dòng)度損失和強(qiáng)度常用來(lái)判定減水劑在混凝土拌合物中的相容性。減水劑的相容性研究能夠進(jìn)一步揭示其在混凝土中的物理化學(xué)作用。

3　高效減水劑在高性能混凝土中的應(yīng)用

    高性能混凝土的定義一般包括高流動(dòng)性和長(zhǎng)期使用的力學(xué)性能和耐久性能兩方面。歐美國(guó)家注重于混凝土硬化后的高性能，如較高的強(qiáng)度、耐久性和耐腐蝕性等，而日本強(qiáng)調(diào)的是新拌混凝土的性質(zhì)，認(rèn)為高流態(tài)、免振自密實(shí)混凝土就是高性能混凝土。事實(shí)上，這兩種性能是相互聯(lián)系、不可分割的。混凝土要實(shí)現(xiàn)高性能化，解決問(wèn)題的關(guān)鍵在于組成材料和工藝過(guò)程。首先，在組成材料和配合比方面，通常使用高性能減水劑和超細(xì)礦物摻和料。高性能減水劑應(yīng)是性能更好、更能滿足實(shí)際需要的高效減水劑，即除具有高效減水、改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)程度等性能外，還能控制混凝土的坍落度損失，更好地解決混凝土的引氣、緩凝、泌水等問(wèn)題。可以說(shuō)，沒(méi)有高性能減水劑就不可能實(shí)現(xiàn)高性能混凝土。

    通常聚羧酸系減水劑較萘系減水劑的減水率高，與水泥的相容性更好，用聚羧酸系減水劑配制高性能混凝土，水膠比可以降至很低，混凝土的流動(dòng)性很大。由于減水劑與不同水泥存在相容性問(wèn)題，混凝土容易出現(xiàn)流動(dòng)性損失；另外，高性能混凝土在硬化過(guò)程中容易出現(xiàn)裂縫，致使混凝土耐久性降低。通過(guò)高性能減水劑與大摻量活性細(xì)摻料兩者的復(fù)合作用使混凝土的性能得到改善和提高，大大減少了水泥用量和水膠比，提高了工程質(zhì)量，降低了工程造價(jià)。美國(guó)使用高效減水劑的高性能混凝土的一個(gè)典型實(shí)例是長(zhǎng)12.9km的 Northumberland Strait 橋?；炷恋呐浜媳仁枪杷猁}水泥450kg/m3,單位用水量153L/m3，高效減水劑3L/m3，AE劑0.16L/m3，坍落度20cm，引氣量6%，其 1天、3天和28天齡期的抗壓強(qiáng)度分別為 35MPa、52MPa和82MPa。在我國(guó)，高性能減水劑的質(zhì)量與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距，隨著對(duì)高效減水劑的深入研究，差距將會(huì)縮小，免振搗自密實(shí)混凝土及高強(qiáng)超高強(qiáng)高性能混凝土也將得到進(jìn)一步發(fā)展；因此，及時(shí)開(kāi)展這方面的基礎(chǔ)研究非常必要。

4　高效減水劑在高耐久混凝土中的應(yīng)用

    混凝土耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力。采用混凝土建造的工程大多是永久性的，提高混凝土的耐久性，就能延長(zhǎng)建筑物的使用期限，減少維修，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益。外加劑成分不同對(duì)混凝土耐久性產(chǎn)生不同的影響作用，減水劑提高了混凝土密實(shí)度，則混凝土的抗?jié)B、抗凍、耐侵蝕等耐久性提高；早強(qiáng)劑對(duì)混凝土的抗?jié)B、抗凍等耐久性也是有利的，但由于引入混凝土中的Cl、Na+等可能會(huì)引起鋼筋銹蝕和堿骨料反應(yīng)，而降低混凝土的耐久性。現(xiàn)在通過(guò)摻加硝酸鹽阻銹和粉煤灰抑制堿骨料反應(yīng)等措施來(lái)避免混凝土耐久性降低。

    對(duì)抗凍融性能要求高的混凝土，所用的外加劑最好是同時(shí)具有高效減水和引氣性能的復(fù)合型產(chǎn)品。若混凝土在低溫下施工，則選用的外加劑除有引氣、減水成分外，還應(yīng)有防凍和早強(qiáng)成分。但對(duì)鋼筋混凝土不能選用含氯鹽物質(zhì)作外加劑原料，對(duì)水泥、混合材和拌和水含堿量高、骨料又有一定數(shù)量活性成分的混凝土，所用外加劑還應(yīng)盡量降低堿含量。

    對(duì)抗?jié)B要求高的混凝土，應(yīng)該用高效減水劑來(lái)減少混凝土用水量，提高密實(shí)度，同時(shí)加入引氣成分，使混凝土中形成大量微小氣泡，減少泌水通道，提高抗?jié)B性能。摻入適量復(fù)合膨脹劑，也是配制高抗?jié)B混凝土的一個(gè)有效途徑。

    混凝土的碳化與鋼筋銹蝕會(huì)大大降低混凝土的耐久性。通過(guò)在混凝土中摻加高效減水劑，增加混凝土密實(shí)度，可明顯減緩混凝土的碳化速度，混凝土PH值降低也緩慢，鋼筋產(chǎn)生銹蝕的危害也明顯減慢。若外加劑中含有大量氯離子，將加快鋼筋銹蝕，所以，鋼筋混凝土應(yīng)嚴(yán)格控制外加劑中氯鹽含量，同時(shí)可考慮復(fù)合某些鋼筋阻銹劑。