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聚羧酸减水剂机理及发展前景 赵彦虎 （天津城建大学 材料科学与工程学院 天津 300384） ［摘要］从文献调研角度分析，国内对于聚羧酸系高性能减水剂分子结构与机理、合成与表征、酯化动力学、性能评价等基础研究和试验研究文献较多，新产品与实际施工应用的文献较少，且与国外工艺技术相比，国内合成工艺创新性还很不够，产品品种还太少，虽然也有不少研究机构单位或厂家在着手进行工艺改进，但基于按照分子设计原则，选用马来酸酐、甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酸和2-丙烯酸胺-2-甲基烯丙甲磺酸AMPS等为原料经接枝共聚合成工艺大体相当。因此，基于实际应用，本文简要介绍了聚羧酸减水剂的作用机理及应用性能，指出在水泥基材料中掺加适量的减水剂可以较大程度的优化其性能。 ［关键词］聚羧酸；减水剂；机理；应用 绪论 减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下，能减少拌合用水量、提高混凝土强度或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂。根据其减水及增强能力，减水剂可分为普通减水剂（又称塑化剂）及高效减水剂（又称超塑化剂），并又分别分为一等品、合格品。 减水剂的发展可分为三个阶段，分别为以木钙为代表的第一代普通减水剂阶段；以萘系为代表的第二代高效减水剂阶段和以聚羧酸系为代表的第三代高性能减水剂阶段。具有梳形分子结构的聚羧酸系减水剂（polycarboxylictypewater-reducer，简称PC系列减水剂）具有分散性极强、掺量低以及混凝土坍落度损失小等优点，成为国内外化学外加剂研究与开发的热点。 聚羧酸系减水剂的结构特点 从分子结构上来看，聚羧酸系减水剂呈梳行，主链上带有多个活性基团，极性较强，侧链带有亲水性的聚醚链段，其中具有亲水性的聚醚链段较长，数量较多与此相反具有疏水性的分子链段较短，数量较少。聚合物侧链上的聚乙氧基链节结构（又被称为接枝链）对减水率以及坍落度有显著的作用，能从很大程度上抑制坍落度损失。典型聚羧酸高性能减水剂的分子结构如图1： R1，R2，R3，R5，R6，R7代表H或CH3；R4代表带有1～3个炭原子的烷基基团； M1，M2代表碱金属，碱土金属或铵基或有机胺等基团；a，b，c，d，n，m为整数。 三、聚羧酸系高效减水剂作用机理 基于目前对减水剂的了解，通常，减水剂是通过表面活性作用、络合作用、静电排斥力和立体排斥力等来阻碍或破坏水泥颗粒的絮凝结构。聚羧酸减水剂的分散稳定作用主要是空间位阻和静电斥力相互作用的结果。其中，静电斥力提供初始分散性，空间位阻提供流动保持性。 （一）静电斥力作用 减水剂掺入新拌混凝土中后，减水剂分子定向吸附在水泥颗粒表 面，部分极性基团指向液相。由于亲水极性基团的电离作用，水泥颗粒表面带上电性相同的电荷。表面所带的电荷量随减水剂浓度的增大而增大直至饱和，水泥颗粒表面的电荷使得水泥颗粒之间产生静电斥力，这种斥力作用有利于水泥颗粒絮凝结构的解体，包裹于絮团中的自由水的释放，从而有效地增大拌合物的流动性。从基团上来看，磺酸根（-SO3）静电斥力作用较强；羧酸根离子（-COO）静电斥力作用次之；羟基（-OH）和醚基（-O-）静电斥力作用最小 （二）空间位阻作用 减水剂吸附在水泥颗粒的表面，形成一层具有一定厚度的聚合物分子吸附层。当水泥颗粒相互靠近时，吸附层相互重叠、使得水泥颗粒间产生斥力作用。吸附层重叠越多，斥力越大，这种斥力称之为空间位阻斥力。 通常，所有离子型聚合物都会引起静电斥力和空间位阻两种作用。这两种作用的大小与溶液中的离子浓度、聚合物的分子结构和摩尔质量有关［3］。 聚羧酸系减水剂成梳状吸附在水泥层上。一方面由于其空间作用使得水泥颗粒分散，有效的降低了颗粒之间的凝聚程度。另一方面，在有机矿物相形成时，聚羧酸减水剂较长的EO侧链仍然可以伸展开使得其受水泥的水化反应影响就小，从而可以在较长的时间内，保持优异的减水分散效果，有效的降低了塌落度损失。 （三）络合作用 钙能与减水剂中的羧基形成络合物，以钙配位化合物形式存在。钙还能以磺酸钙形式与外加剂结合。鉴于钙的这种特性有机外加剂通常以钙离子为媒介，吸附在水泥颗粒上。溶解到搅拌水中的钙离子被捕捉后，钙离子浓度显著的降低，钙离子浓度的降低可以有效的抑制水泥的水化。 四、高效减水剂的应用性能 减水剂性能检测主要分为三类：净浆、砂浆和混凝土 （一）减水剂对水泥净浆性能的影响 对于水泥净浆，主要测定减水剂对水泥净浆流动性的影响，减水剂对水泥凝结时间的影响和减水剂与不同水泥的相容性。相关文献表明：未掺减水剂的水泥净浆的流动度很小或者不流动；当掺入减水剂后，由于水泥颗粒对减水剂的吸附分散作用，使水泥浆中水泥颗粒分布更均匀，絮凝结构中的游离水释放出来，水泥净浆的流动度大大增加