聚丙烯酸系高效減水劑的研究進展
2006-05-06 00:00
摘要：高效減水劑是指在保持混凝土坍落度基本相同的條件下能大幅度減少拌和用水量的外加劑。聚丙烯酸高效減水劑具有強度高、耐熱性、耐久性、耐候性等優(yōu)異性能，正是由于聚丙烯酸高效減水劑的這些優(yōu)良特性而使它成為世界性的研究熱點。
關鍵詞：聚丙烯酸；高效減水劑；現(xiàn)狀；進展
高效減水劑是指在保持混凝土坍落度基本相同的條件下能大幅度減少拌和用水量的外加劑。它在混凝土配制中主要有三方面的作用： ( 1)為提高混凝土的澆注性能，在不改變混凝土組分的條件下，改善混凝土工作性；( 2)在給定工作條件下，減少拌和水和混凝土的水灰比，提高混凝土的強度和耐久性；(3)在保證混凝土澆注性能和強度的條件下，減少水和水泥用量，減少徐變、干縮、水泥水化熱等引起的混凝土初始缺陷的因素。
在高效減水劑的研究方面，首先日本研制出了β - 萘磺酸甲醛縮合物鈉鹽減水劑，并用各種方法進行改性，以減少坍落度損失；德國相繼開發(fā)出了三聚氰胺系高效減水劑，盡管此類減水劑具有很多優(yōu)點，但因其成本價格高，而且只能以低濃度的液體形式供應，因此限制了它的發(fā)展和使用。近年來，德國BASF公司、BAYER公司曾通過多種途徑，降低成本，提高使用濃度來進行改性。20 世紀80年代日本相繼研制出了以萘系為減水組分、反應性高緩凝保坍組分減水劑及具有單環(huán)芳烴結構的氨基系減水劑，減水率高達30%，且90min - 120min基本無坍落度損失，但產(chǎn)品穩(wěn)定性差，影響了該類減水劑的工業(yè)生產(chǎn)及實際使用。聚丙烯酸高效減水劑除具有高效減水、改善混凝土孔結構和密實程度等作用外，還能控制混凝土的坍落度損失，更好地控制混凝土的引氣、緩凝、泌水等問題，它與不同種類的水泥有更好的相容性，即使在低摻量時，也能使混凝土具有高流動性，并且在低水灰比時具有低粘度及坍落度經(jīng)時變化小的性能。在眾多系列的減水劑中，因聚丙烯酸系高效減水劑具有獨特的優(yōu)點，所以它的應用推廣很好。
一、國內外對聚丙烯酸系減水劑的研究
聚丙烯酸高效減水劑具有強度高、耐熱性、耐久性、耐候性等優(yōu)異性能，在高溫下坍落度損失小，具有良好的流動性，在較低溫度下不需大幅度增加減水劑的加入量，正是由于聚丙烯酸高效減水劑的這些優(yōu)良性而使它成為世界性的研究熱點。日本是研究和應用聚丙烯酸系減水劑最多最成功的國家，北美和歐洲也進行了大量的研究，并取得了很好的成果。從目前國外公開發(fā)表的高水平的學術文獻中看，日本和歐美有關聚丙烯酸系高效減水劑的研究論著呈上升趨勢，研究成果主要表現(xiàn)在提高拌和混凝土工作性能和強化混凝土的力學性能等。
我國對聚丙烯酸高效減水劑的研究處于初步階段，離商業(yè)化應用有一定的差距。隨著混凝土性能的改善及施工技術的突破，我國必須加大對新型聚丙烯酸減水劑的科研投入，以便在混凝土外加劑市場競爭中處于有利的地位。
二、聚丙烯酸系減水劑的合成方法
(一) 可聚合單體直接共聚
可聚合單體直接共聚法，這種合成方法是首先合成具有活性的大單體，然后再與小分子單體以一定比例在引發(fā)劑的作用下采用溶液聚合得到產(chǎn)品。株式會社日本觸媒公司[ 1 ]采用短鏈甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯、長鏈甲氧基甲基丙烯酸酯及甲基丙烯酸聚合得到了一種高性能減水劑。M. Kinosh2ta[ 2 ]等人以丙烯酸鈉、烯丙基磺酸鈉和甲基封端的聚氧乙烯丙烯酸酯共聚合成了減水劑，且只需添加0.01 - 0.2% ，并改善了混凝土的和易性，提高了混凝土強度。M. Kinoshta[ 3 ]為了進一步減小坍落度損失和緩凝，采用自身活化技術制備了具有確定端基的水溶性丙烯酸酯型PCC 系列外加劑， 摻量為0.12%、W /C = 0. 50， 且新拌混凝土的性能超高、超強；將甲基丙烯磺酸鈉、SMS、丙烯酸甲酯、甲氧基二十三乙二醇甲基丙烯酸酯、對甲基烯丙氧基苯磺酸鈉和八乙二醇烯丙基醚以一定比例配合，得到高性能減水劑，混凝土坍落度值為27. 3cm，并制備了不緩凝、超高強混凝土。李崇智[ 3 ]等人報道，當減水劑固體含量為0. 5%時測得的水泥凈漿流動度達320mm。逄魯峰等[ 4 ]利用聚乙二醇、丙烯酸、甲基丙烯酸磺酸鈉、丙烯酸甲酯為原料合成了一類新型的聚丙烯酸系減水劑，詳細討論了減水劑對不同水泥的適應性及側鏈長度對分散性的影響。
(二)聚合后功能化法
聚合后功能化法，該方法是利用現(xiàn)有的聚合物進行改性，采用已知分子量的聚丙烯酸，在催化劑的作用下與聚醚在較高溫度下通過酯化反應進行接枝。Grace公司[ 5 ]用烷氧基胺與聚丙烯酸接枝合成出高性能聚丙烯酸減水劑。
(三)原位聚合與接枝
原位聚合與接枝法，該方法主要以聚丙烯酸不飽和單體為反應介質，聚合與酯化同時，工藝簡單，成本低。Shanl等[ 6 ]利用這一原理合成了新型聚丙烯酸減水劑，通過這種減水劑得到的新拌混凝土具有良好的流動性、低坍落度損失、低引氣、高強度等特征。鄭國峰等[ 7 ]通過乙烯基單體的共聚合成了聚丙烯酸系減水劑，減水率達42% ，混凝土28天抗壓強度必高于158%。
三 、聚丙烯酸減水劑合成原料的選擇
聚丙烯酸類減水劑種類很多，但其結構遵循一定的規(guī)則，在重復單元的末端或中間位置帶來某種活性基團，由一種或幾種低極性聚烯烴鏈或中等極性聚酯鏈或強極性的聚醚鏈共聚而成。從文獻看，目前合成聚丙烯酸系減水劑所選擇的單體主要有四類： ( 1 ) 不飽和酸———馬來酸酐、馬來酸和丙烯酸、甲基丙烯酸；( 2)聚鏈烴基物質———聚鏈烯烴、醚、醇；(3)聚苯乙烯磺酸鹽或酯；(4)甲基丙烯酸鹽或酯、苯二酚、丙烯酰胺。
四、聚丙烯酸減水劑的作用機理[ 8 - 12 ]
聚丙烯酸系減水劑由于其優(yōu)異性能而引起廣泛的關注，為了有效研究和開發(fā)這一類型的減水劑，對其減水機理的研究非常重要。減水劑的分散減水機理主要包括以下幾個方面：
(一)聚丙烯酸減水劑可以有效降低水泥顆粒固液界面能。
聚丙烯酸減水劑由于分子結構中有大分子的主鏈和側基- COOH， - OH， - SO3H 等，既有親水性又有親油性，在水泥- 水界面上具有很強的吸附能力。減水劑吸附在水泥顆粒表面，能夠降低水泥顆粒固液界面能，降低水泥- 水分散體系的總能量，從而提高分散體系的熱力學穩(wěn)定性，這樣有利于水泥顆粒的分散。
(二) 聚丙烯酸減水劑靜電斥力的作用。
新拌混凝土中摻入減水劑后，由于減水劑分子結構中的- COOH、- OH、- SO3H等極性基團的電離作用，使得水泥顆粒表面帶上電性相同的電荷，并且電荷量隨減水劑濃度增大而增大，直至飽和，從而使水泥顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，使水泥顆粒絮凝結構解體，顆粒相互分散，釋放出包裹于絮團中的自由水，從而有效地增大拌和物的流動性。
(三) 聚丙烯酸減水劑空間位阻作用。
聚合物主鏈分子的疏水性和側鏈的親水性以及側基- (OCH2 CH2 ) - 的存在，為其提供了立體穩(wěn)定作用，在水泥顆粒表面形成有一定厚度的聚合物分子吸附層。由于聚合物分子吸附層之間相互交叉，在聚合物鏈之間產(chǎn)生物理的空間位阻，這種由于聚合物吸附層靠近重疊而產(chǎn)生的阻力阻止水泥顆粒接近的機械分離作用力，稱之為空間位阻斥力。一般認為，所有的離子聚合物都會引起靜電斥力和空間位阻斥力兩種作用力，它們的大小取決于溶液中離子的濃度，以及聚合物的分子結構和摩爾質量。聚丙烯酸類減水劑吸附在水泥顆粒表面，雖然使水泥顆粒的ξ負電位降低較少，而靜電斥力較小，但是由于其主鏈與水泥顆粒表面相連，支鏈則延伸進入液相形成較厚的聚合物分子吸附層，從而具有較大的空間位阻斥力，所以在摻量較少的情況下便對水泥顆粒具有顯著的分散作用。
(四) 聚丙烯酸減水劑引氣隔離“滾珠”作用。
由于聚丙烯酸系減水劑能降低液氣界面張力，具有一定的引氣作用，因此，減水劑加入混凝土拌合物中，不但能吸附在固液界面上使混凝土拌合物中易于形成許多微小氣泡，加之減水劑分子定向排列在氣泡的液氣截面上，使氣泡表面形成一層水化膜，同時帶上與水泥顆粒相同的電荷，使氣泡與氣泡之間、氣泡與水泥顆粒之間均產(chǎn)生靜電斥力，對水泥顆粒產(chǎn)生隔離作用，從而阻止水泥顆粒之間凝聚；而且氣泡的滾珠和浮托作用，也有助于新拌混凝土中水泥顆粒、骨料顆粒之間的相對滑動。所以，減水劑所具有的引氣隔離滾珠作用可以改善混凝土拌合物的和易性。
五、聚丙烯酸系高效減水劑研究中的幾個問題與未來的發(fā)展方向
目前，我國聚丙烯酸系高效減水劑的研究只是處于實驗室合成階段， 要系統(tǒng)地研究這種新型的高效減水劑仍然存在著很多的困難，對它的合成、作用機理和應用等方面的研究都存在一些尚待進一步深入的問題。譬如：
(1)從合成方法比較，可聚合單體直接共聚與其它兩種方法相比合成工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，但工藝復雜，成本高，需要合成大單體；聚合后功能化法由于現(xiàn)成的聚丙烯酸產(chǎn)品種類和規(guī)格有限，同時與聚醚的相容性不好，酯化操作困難；原位聚合與接枝法克服了聚合后功能化法中兩者的相容性難題，采用聚醚作為羧酸類不飽和單體的反應介質，集聚合與酯化與一體，合成工藝簡單，成本低，但主鏈中只能選擇含- COOH基團的單體，否則很難接枝，接枝反應是可逆平衡反應，接枝度不高且難以控制。
(2)表征減水劑分子的方法存在局限性，尚不能完全解釋減水劑性能與結構的關系，缺乏微觀方面的研究。減水劑的合成包括酯化和聚合，酯化程度的高低關系到共聚物的結構和組成，酯化只能通過紅外光譜測定- OH的吸收峰變化，只是定性的描述，不能定量的測定。聚合物轉化率的測定通過檢驗分子結構中雙鍵的濃度來進行，這種方法在實驗室尚可，但在生產(chǎn)過程中極不方便。
(3)雖然聚丙烯酸系高效減水劑與水泥的相容性比其它種類減水劑更好，但在混凝土流動性方面，當水泥和外加劑共同使用時，往往發(fā)生混凝土塌落度損失太快及太硬等現(xiàn)象，仍存在水泥和化學外加劑相容性問題。
(4)在使用高性能減水劑的混凝土中，當單位水量減少，塌落度增大時，常常發(fā)生減水劑用量過大、混凝土粘性太大、出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象、泵送困難等問題。
縱觀國內外聚丙烯酸系高效減水劑的發(fā)展，歐美和日本技術成熟，產(chǎn)品已有相當?shù)氖袌?，憑其技術的優(yōu)勢很多產(chǎn)品已進入我國市場。為了趕超歐美和日本等先進國家，我們必須吸收國外先進技術，加大科研投入力度，并從以下幾個方面進行研究：
(1)對聚丙烯酸系減水劑進行合理的分子設計，優(yōu)化聚合工藝。( 2)從聚丙烯酸類減水劑與傳統(tǒng)減水劑的協(xié)同效應研究，從而進一步降低成本。(3)使用先進的檢測手段，如采用核磁共振研究聚合物結構的變化、紅外光譜分析聚合物的分子骨架、X - ray研究聚合物的結晶狀況、凝膠滲透色譜獲得聚合物的分子量及其分布。(4)進一步研究聚丙烯酸高效減水劑減水機理，為合成提供理論基礎。聚丙烯酸高效減水劑的研究已成為混凝土材料科學中的一個重要分支，并推動著整個混凝土材料從低技術向高技術發(fā)展。展望未來，每一項混凝土技術的提高都需要開發(fā)最優(yōu)的外加劑。隨著對高性能減水劑的合成、作用原理、結構與性能等方面進行系統(tǒng)的理論研究，聚丙烯酸減水劑將會廣泛地應用到重要工程中，并向多功能化、生態(tài)化、國際標準化的方向發(fā)展。
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