聚羧酸高性能減水劑及應用

    聚羧酸類減水劑以其優越的性能和無污染生產，近年來在國外發展很快，尤其在日本，聚羧酸與萘系的使用比例已經超過7：3。聚羧酸類減水劑從分子結構、作用原理和在混凝土中的表現行為與傳統減水劑有很大區別，因此，正確認識和合理使用是推廣聚羧酸減水劑應用的重要環節。作者積累了三年來生產和應用LEX-9系列聚羧酸減水劑的經驗，希望通過交流對這類新型減水劑在我國的發展有益。

 

 

    聚羧酸類減水劑是一種分子結構為含羧基接枝共聚物的表面活性劑，在混凝土中有很高而又相對持久的減水作用。可以在國內外文獻中查閱到數十種具有上述分子結構特征的表面活性劑，其中有：馬來酸（酯）接枝共聚物、丙烯酸酯接枝共聚物，含末端磺酸基接枝共聚物，不飽和聚醚接枝共聚物等等。所有這類共聚物都形成“梳狀”或“樹枝狀”支鏈結構，所不同的是主鏈和支鏈的長短，剛度、形態、極性等不同。

 

    萘系減水劑是一種典型的離子型分散劑，一旦進入水泥—水體系中，立即形成吸附層（雙電層），從而使顆粒表面靜電斥力增加而達到分散效果。聚羧酸類減水劑進入水泥—水體系中行為要復雜得多，第一，它的主鏈和支鏈都有選擇性的吸附；第二，不同基團可能形成強弱不同的雙電層使顆粒相斥；第三，吸附后在顆粒表面形成立體的大分子層，以位阻效應使顆粒難以團聚。多數專家認為位阻效應是聚羧酸減水劑持久分散水泥顆粒的主要作用。

 

    正因如此，不同分子結構聚羧酸接枝共聚物對水泥顆粒的吸附、分散作用不完全一樣，尤其對不同成分、不同大小的顆粒作用不盡一樣。聚羧酸減水劑產品就是選擇一種或數種共聚物（或不同分子量的共聚物），達到能最大程度上分散各種膠凝材料顆粒。

 

 

    提起聚羧酸減水劑往往與“高性能”相聯系。日本JISA6204-1995標準為日本這類高性能減水劑作了界定。與其他標準相比，它在流動度減水率及流動度保持，含氣量及含氣量變化方面提出了比其他減水劑更高的要求。

 

    表一1是近幾年來收集到十多種聚羧酸減水劑，用JC473-2001標準建議配合比，對其主要性能測試結果例舉一部分如下：

  

    根據以上試驗結果表明，聚羧酸減水劑應該具有高性能的技術指標，特別必須達到以下幾方面技術要求：

a、高減水率：用GB8076—1997標準檢測，減水率應在24％左右或以上，用JC473-2001標準檢測，坍落度增加值應>12cm,

b、流動度保持好：日本標準JISA6204-1995中規定坍落度經時損失≤60mm，可以成為衡量流動度保持的指標。

c、摻量小：聚羧酸減水劑折合固體摻量一般不大于膠凝材料重量的0.25％。

d、和易性好：摻聚羧酸減水劑混凝土在一般情況下，其擴展度、粘聚抓底現象和泌水應優于相同情況的摻萘系減水劑混凝土。

 

    1、水泥適應性

    水泥和膠凝材料成分復雜多變，從吸附一分散機理來看，不可能找到一種什么都適應的減水劑，因此，聚羧酸減水劑盡管具備比萘系更廣泛的適應性，但仍可能對部分水泥適應性差。這種適應性大多反映在：減水率降低和坍落度損失增加，有的兩者都有，也有的只反映在其中一方面。

即使是同一種水泥，球磨到不同細度時，減水劑的作用也會不同。

表－2 是把海螺水泥磨至不同細度，用調整工藝改變減水劑聚合物成分來檢驗其適應性。

     就LEX-9聚羧酸減水劑而言，它對華北地區的某些水泥和摻合料的適應性相對較差。解決適應性的辦法有三種：

a、適當增加摻量，特別采用滯后摻加方法比較有效。

b、適當添加其它組份，尤其在坍落度損失較大的情況下，添加一些傳統緩凝組分，大多可改善。

c、改變聚合物成分，在合成過程中調整某些組分往往有可能使其適應性完全變化。

在目前條件下，采取前2種辦法比較簡單有效，隨著對聚羧酸類減水劑研究深入，生產和管理水平提高，應用規范的擴大，第三種辦法將逐步成為現實可行。

2、配伍效應

   水泥顆粒對高分子材料的吸附有選擇性，因此，不同減水劑組分或者不同減水劑混用時就存在互相匹配與否的問題。把聚羧酸減水劑與現有常用減水劑和常見調凝劑等復配，得出以下配伍表，表中☆表示可以相容，☆☆表示匹配效果好，×表示匹配效果不好，××表示絕對不可相混。

表－3

 

 

    3、含氣量

    從可泵性和耐久性角度來看，適當增加引起性是有利的，日本的許多聚羧酸減水劑引氣性都比較大，在不需要引氣時，加入消泡成分。

     在聚羧酸減水劑分子設計和工藝選擇時，可以選定其引氣性的基本范圍，如LEX-9就是根據大多數應用狀況，選擇基本引氣性在3-5％之間，可以通過消泡措施使其含氣量控制在2.5-3.5％范圍內。在特殊需要的情況下，可以通過工藝調整，把LEX-9的引氣量提高到7-8％。

 

    4、用水量的敏感性

    由于采用聚羧酸減水劑后，混凝土的用水量大幅度減少，單方混凝土的用水量大多在130-165kg；水膠比為0.3-0.4，甚至不足0.3。在低用量水情況下，加水量波動可能導致坍落度變化很大，然而對強度的影響相對較小（見表4）。

表－4

 

    此外，用水量的敏感性在坍落度損失方面更為明顯。在實驗室做坍落度損失試驗時，地板、工具、蒸發造成的失水，常常會導致很大的誤差，尤其在起始坍落度較小的時候更為明顯。

多次試驗表明，在現場采用生產設備校驗坍落度損失時，比實驗室試驗結果要好得多，這與大生產水分散失率比相對較小有關。

 

    5、充分發揮摻合材料優勢

    由于聚羧酸減水劑減水很多，在有些水灰比相對較大的混凝土中，水泥因為和易性要求而無法相應減少，這時，外摻較多的粉煤灰等摻合材料，可以取代較多的水泥來達到經濟目的。摻合材料與膠凝材料的比例，因水泥品種，摻合料質量等因素而異，作者采用P.Ⅱ水泥、Ⅱ級混燒灰、寶鋼礦渣粉為原料，經多次試驗，得出以下摻量范圍，供參考。（表－5）在以下范圍中，混凝土的凝結、硬化與常規混凝土相仿，和易性一般都很好。

    表－5

 

    ＊粉煤灰、礦渣粉與膠凝材料總量的重量百分比。

    至今，絕大多數研究認為：混凝土的水膠比和緻密程度是碳化的最主要因數，經多次試驗證明，在上述摻量范圍中，混凝土的碳化速率沒有顯著和本質上的變化。

選擇適當的摻合料取代水泥也可以在造價上取得優勢。

 

    6、應用實例簡介

    三年多來，已經生產和應用LEX-9系列聚酸減水劑共計近1萬噸，有代表性的工程簡介如下：

    a、上海磁懸浮高速列車的軌道梁

    混凝土等級C60，收縮、徐變比傳統統計混凝土減少約1／3。

    b、上海東海大橋箱梁、敦柱、承臺等預制構件

    混凝土等級C35～C50，水泥僅占膠凝材料的30～40％，氯離子滲透系數、電通量等指標均符合要求。

    c、東海大橋、杭州灣大橋（部分）水下灌注樁

    混凝土等級C30～C40，緩凝（>16小時）和低坍落度損失。

    d、高標號預應力管樁

    普蒸強度≥70MPa，壓蒸強度≥80MPa。

    e、甬寧高速公路（高架橋）

    聚羧酸復合木素，用于C25～C40結構混凝土。

    f、上海外環線立交（結合梁）

混凝土等級C35，含筋量大、減振密實。

 

    1、聚羧酸減水劑是一種低摻量、高減水率、低坍落度損失的高性能減水劑，它的作用機理與傳統減水劑有所不同。

    2、可以通過分子設計和工藝調整制造多種不同的聚合物來滿足各種需要。