聚羧酸系减水剂的发展历程及现状

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摘 要：聚羧酸高效减水剂作为混凝土的化学外加剂，具有掺量低、减水率高等特点，一直受到国内外研究人员的关注。本文概述了混凝土外加剂的发展历程，主要性能及发展现状，介绍了高性能减水剂的种类与组成，提出了有关高性能减水剂的研究内容及今后研究方向。

关键词：聚羧酸系高性能减水剂 发展现状

高性能混凝土指具有高耐久、高强度、高流动性的混凝土。而减水剂又称塑化剂或分散剂，拌和混凝土时加入适量的减水剂，可使水泥颗粒分散均匀，同时将水泥颗粒包裹的水份释放出来，从而能明显减少混凝土用水量，是一种重要的混凝土外加剂。而高性能混凝土中的高性能减水剂，作为一种有机化学材料，能够最大限度地降低混凝土水灰比，提高混凝土的强度和耐久性。所以提出新的合成方法和改进其性能的研究也成为当今国内外的一个热点。

一、发展历程

减水剂在我国，相对于外国而言起步较晚。20世纪30 年代初，国外已生产了以木质素磺酸盐为主成分的减水剂，随后又有新发展。相继出现萘系和三聚氰胺系高效减水剂。70 年代后期，许多人对木质素类减水剂进行了研究，对它进行改进，研究出了改性木质素磺酸盐高效减水剂。1974 年，水电部、交通部联合研制了以扩散剂N N O 为主成分，辅以其它助剂组成的减水剂，接着又有以茶为原料，经磺化缩合而成的蔡磺酸盐甲醛缩合物的NF 高效减水剂。MF 高效减水剂及建一1 型高效减水剂，其后的JN，D H 及T F 型减水剂和以葱油为原料的A F 高效减水剂都相继研发成功。其中改性三聚氰胺、氨基磺酸盐、脂肪族高效减水剂快速发展；而聚羧酸系减水剂则是目前研究的重点。

二、高效减水剂的种类和特点

1.减水剂的类型

（1）单环芳烃型（monocyclic aromatic hydrocarbons type），主要以氨基磺酸盐类高效减水剂为代表，该类聚合物憎水主链由苯基和亚甲基交替连接而成，该类减水剂具有掺量小，减水率高的特点。

（2）多环芳烃型（polynuclear aromatic hydrocarbons type），主要以萘系和蒽系为代表，这类高效减水剂的特点是憎水基的主链为亚甲基连着的双环或单环芳烃，亲水性的官能团则是连在芳烃上的-SO3H 等，对水泥的分散性能较好，减水率较高。

（3）杂环芳烃型（compound aromatic hydrocarbons type），以三聚氰胺系为代表，该类减水剂的特点是其憎水主链为亚甲基连接的含 O 或含 N 的五元或六元杂环，亲水性官能团是连接在杂环上的带-SO3H 等官能团的取代支链。该类减水剂性能与萘系接近，因其掺量及价格略高于萘系，故使用面不及萘系广。

2. 高效减水剂分子结构上的共同特点

（1）大分子中含单环、多环、杂环芳烃，减水剂含大π键，这样有利于固体粉末的分散，因为大 π键易产生静电吸附和形成氢键。

（2）大分子的聚合度有一定的要求，相对分子量一般在 1500～15000 范围内。相对分子质量小，有利于分子在气-液界面取向而使水的表面张力下降。随着相对分子质量的增加，气-液界面活性减小，长链大分子在气-液界面取向的能力降低，这种降低表面张力的能力逐渐消失。但是在固-液界面的作用活性增加，聚合物分子吸附在固体颗粒表面，使粒子对分散介质的亲和力增加，从而增加分散体系的稳定性。同时，这种聚合物电解质（也称高分子表面活性剂）在水中离解为带多电荷的大分子阴离子，它在固体表面吸附后，产生强的电场强度，静电斥力有利于分散。

（3）聚合物电解质分子中所含的不同基团对水泥水化的影响不同，-SO3H 的分散性最好，-COOH、-OH、-O-、f`-羟基羧酸等基团缓凝作用较强。聚羧酸系减水剂的结构及其性能特点

三、主要性能及发展现状

聚羧酸系减水剂是一种高性能、无环境污染的新型减水剂，其分子通用结构式见下图，其组成单元可以根据减水剂性能的不同要求进行调节，换言之，通过改变主链上的功能性侧基就能改变聚羧酸系减水剂对混凝土的作用效果。与木质素磺酸盐、萘系等减水剂相比，聚羧酸系减水剂具有梳形结构，分子结构自由度大的特点。因而聚羧酸系减水剂在低掺量下（折固掺量0.15%～0.25%）就能产生理想的减水和增强效果，对混凝土的凝结时间影响较小，坍落度保持性能较好，与水泥和掺和料的适应性较好同时在生产过程中不使用甲醛和不排出废液，环保问题得到了解决。

聚羧酸系减水剂的通用结构式（R1为H或CH3，R2、R4为H或CH3及CH3的同系物，R3为CH2CH2，X为CH2等，Y为CH2或CO，J为其他结构单元）

四、研究内容及今后研究方向

目前，聚羧酸减水剂母体性能单一，品种不多，无法满足不同领域不同性能混凝土的要求。对早强、缓凝、泵送等不同性能的需求，无法生产出相应的聚羧酸母体，这是制约聚羧酸系减水剂广泛应用与发展的潜在原因。因此，目前很多外加剂公司为了节约成本，普遍采用复配技术，在引进母体的基础上，大量复配早强剂、缓凝剂、减缩剂等，这样虽然能达到早强、缓凝、减缩的效果，但是大量复配其它外加剂会引起与水泥相容性不好、后期强度不高甚至倒缩、成本高、污染环境等一系列问题，所以聚羧酸系减水剂的研究开发应从混凝土性能、价格、环保、可持续发展等多方面综合考虑，进一步朝高性能、多功能化、生态化方向发展。我们要从分子设计的角度，从高性能减水剂的合成结构与性能的关系、作用机理等方面进行深入系统的研究，开发、合成、生产多元化和不同性能的系列聚羧酸系减水剂母体和多功能的聚羧酸系减水剂衍生产品，对我国混凝土材料和技术的发展、建设工程技术的进步都具有重要的现实意义和经济意义。

现将其总结如下：

（1）降低聚羧酸减水剂原材料成本，丰富高性能大单体原料的品种。

（2）开发聚羧酸系减水剂系列产品以解决混凝土工作性（流变性及流动保持性能）的不同需求。

（3）解决聚羧酸系减水剂与其他品种外加剂、水泥、掺和料、不良骨料的适应性问题。

（4）开发新品种聚羧酸减水剂，解决高强度混凝土容易出现的早期裂缝问题。

参考文献

[1] 李崇智等，高性能减水剂的研究现状与展望[J].混凝土与水泥制品 ，2001，4（2）：3-6

[2] 王玲等.我国混凝土减水剂的现状及未来[J].混凝土与水泥制品，2008，10（5）