减水剂的研究现状及发展

章俊凯（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101199）

减水剂的研究现状及发展

章俊凯
（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101199）

简要回顾了混凝土减水剂研制、生产和应用历史，阐述了几种主要类型减水剂的性能特点和应用现状。认为开发减水率更高、性能更优异、经济性更好的新产品是解决减水剂在实际应用中所面临的技术难题、满足混凝土工程对外加剂多功能化的需求主要发展方向。

混凝土；减水剂；研究现状

1 引言

减水剂是混凝土外加剂的一种，用来改善新拌和混凝土性能。当在水泥中加入减水剂后，在不改变混合体系组成的条件下，可增加混凝土拌合物的和易性与坍落度；或在混凝土拌合物的和易性不变条件下，减少拌和用水量以提高混凝土的强度与耐久性，并降低因水泥的水合作用而引起的裂变、收缩及热变形等现象[1]。

2 国内外研究现状

从减水剂性能的变化方面来看，可以简单地把减水剂的发展概括为三个阶段：（一）普通减水剂的应用与发展；（二）高效减水剂、流化剂的合成与应用阶段；（三）高性能减水剂的发展阶段。

20世纪三十年代初到六十年代，英国、美国、日本等国家已经在公路、隧道等工程中使用了塑化剂和其它外加剂。早期使用的减水剂包括松香酸钠、木质素磺酸钠、硬脂酸皂等有机物，该时期的普通减水剂得到了广泛应用和较快发展。萘磺酸甲醛缩合物是1936年由Kennedy发现的，日本在1962年由服部研制成功以萘磺酸盐甲醛缩合物为主要成分的高效减水剂；1964年联邦德国研制成三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物的高效减水剂[2]。此后，从六十年代到七十年代末八十年代初，萘系、三聚氰胺系产品作为高效减水剂、流化剂在许多国家得到广泛应用和较大发展，此阶段产品的特点是减水率较高，但保持混凝土流动性的效果较差，一般通过多次添加法、后掺法、与缓凝剂复合使用法来加以解决。1985年,在日本发表了第一篇反应性高分子用于萘系的高性能AE减水剂的论文，此后保持混凝土塌落度的高性能减水剂得到日本有关部门的支持和重视。九十年代初，伴随高性能混凝土概念提出的同时，聚羧酸系、三聚氰胺系、氨基磺酸系、改性木质素磺酸系的高性能减水剂得到迅速的开发。随着有关降低单位用水量和改善施工性能的对策不断完善，进一步推动了流动化混凝土施工方法的标准化，实现了预拌混凝土高减水、塌落度保持良好的目的。聚羧酸系减水剂具有很多独特的优点，如具有高减水、低塌落度损失、低掺量、不缓凝、不受掺加时间影响等性能，某些性能还可以通过生产合成而达到，如用活性聚合方法可调整产品的分散性能和引气性能，另外，环保问题也可以得到很好的解决。随着高强、超高强流动性混凝土的需求量不断增多，需要能使混凝土水胶比在0.25以下且混凝土流动性保持良好的一种高性能减水剂，而聚羧酸类外加剂因其具有超分散性的特点，且能阻止混凝土塌落度损失而不引起明显的缓凝，从而成为代表混凝土外加剂材料最先进技术的产品，是化学外加剂研究开发的重点。

日本是研究和应用聚羧酸系减水剂最多也是最成功的国家，已从研究萘系基本上转向研究聚羧酸系。近年来,北美和欧洲的一些研究者的论文中，也有研究开发具有优越性能的聚羧酸系的报道。目前，研究中心已从磺酸系超塑化剂改性逐渐移向对聚羧酸系的研究[3]。在我国,萘系高效减水剂应用大约有20多年历史，由于减水率不太高，混凝土塌落度损失过快，难以满足实际工程的施工要求，而复合产品质量不稳定，往往影响到混凝土的凝结硬化和耐久性；另外，萘系产品的原料日益缺乏，价格上涨，急需研制非萘系减水剂。而我国研究聚羧酸系减水剂尚处于起步阶段[4]。

3 我国常用减水剂分类

目前，我国木质素磺酸盐、萘系、氨基磺酸盐、三聚氰胺、脂肪族等高效减水剂合成工艺技术稳定，萘系高效减水剂产量仍然位居各种减水剂之首。

（1）木质素磺酸盐减水剂是最常用的普通型减水剂，价格便宜，减水率为8%～10%，既可单独使用，也可作为复合型外加剂原料，但该类减水剂易在低水灰比拌合物中造成缓凝，常引入大量空气而影响混凝土的性能。另外木材种类不同，加工工艺不同，也会对混凝土造成一些未知的危害性。

（2）萘系减水剂产品主要成分为萘磺酸甲醛缩合物，生产工艺简单，是目前我国产量最大、应用面最广的高效减水剂，其减水率一般为20%左右[5]。在合成工艺上，它是用工业萘与硫酸在160～150 ℃下磺化，经水解与甲醛进行缩合反应，用烧碱中和而成。随着建筑业对高效减水剂的要求日益提高，低浓型的萘系高效减水剂中硫酸钠含量的居高不下导致了外加剂中碱含量增高、混凝土的耐久性降低，众多工程出现碱骨料反应现象，使用寿命大幅缩短。而且，近年来工业萘出现全球性短缺，价格不断上涨，萘系减水剂的发展应用也因此受到了限制。

（3）三聚氰胺高效减水剂的主要成分为磺化三聚氰胺甲醛缩合物，它是用三聚氰胺甲醛及亚硫酸钠在碱性介质中经羟甲基化磺化缩聚而成的一种阴离子型、早强、非引气型高效减水剂，性能优异，对环境友好。但三聚氰胺价格昂贵，且通常只能以较低浓度的液体形式供应，致使三聚氰胺类减水剂的价格高于萘系减水剂，因而在国内一直不能大量、广泛的使用。

（4）氨基磺酸盐高效减水剂具有减水率高、坍落度损失小，含碱量较低的特点，有利于防止混凝土碱骨料反应，冬季使用无沉淀、结晶等特点，适用于配制高性能混凝土。该产品主要成分为氨基苯磺酸盐苯酚甲醛缩合物，它是由对氨基苯磺酸、苯酚在弱碱性（pH值9左右）条件下与甲醛缩合而成的棕色液体减水剂。此类减水剂虽有较高的减水率，但泌水现象严重。

（5）脂肪族类减水剂是一种高减水、高增强的减水剂品种，具有生产工艺简单、生产周期短、生产和使用过程中无三废排放的优点。该产品主要成分为磺化丙酮甲醛缩合物，以丙酮与亚硫酸钠（或焦亚硫酸钠，加碱）、甲醛经磺化缩合而成。

（6）聚羧酸高性能减水剂是配制高性能混凝土的重要组成材料，曾在武汉的合武高速铁路、天兴洲大桥等大型重点工程建设的预拌混凝土中应用，并取得良好的应用效果。它是一种分子结构为含羧基接枝共聚物的表面活性剂，其分子呈梳形结构，主链上带极性较强的多个活性基团，侧链带有亲水活性基团，主要通过不饱和单体在引发剂作用下共聚而成。此类产品的分散能力由强静电斥力与空间位阻共同决定，具低掺用量、高减水率、高增强效果、高保塑性及体积稳定性的特点[7]。然而，聚羧酸减水剂母体性能较为单一，品种不多，渐渐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，这极大地制约了聚羧酸系减水剂的广泛应用与发展。

4 展望

随着混凝土技术不断向高强度、高耐久性和多功能性的方向发展，减水剂作为混凝土中必不可少的组分之一，应该在以下几个方面加强研究和应用推广。

（2）减水剂单体的合成。明确聚合物分子结构及分子排列与性能之间的关系，实现分子结构性能的可设计性，从而开发出具有特殊功能的减水剂产品。

（3）产品的系列化。如聚羧酸减水剂应形成如下基本系列产品：标准型、缓凝型、早强型、保坍型、减缩型及降黏型等，目的是在完善这些系列合成产品后，就可以解决现场混凝土遇到的大多数问题，更好的满足市场需求，利于推动高性能混凝土的快速发展。

（4）检测手段的研究。尤其是对采用不同分子量的聚氧乙烯、聚氧丙烯为封端基团的选择性与方法的检测、对聚合大单体产品指标以及对原材料的检测手段的研究。

（1）减水剂的应用技术问题。改善减水剂与其他外加剂的相容性，通过将适当的掺合料如粉煤灰、矿物等以单掺或复掺的方式加入到减水剂中来抑制和预防碱骨料反应，或通过其他的新颖的改性方法，使减水剂能够广泛的应用于工程建设中。

[1]COLLEPARDI M.Admixtures used to enhance placing characteristics of concrete[J].Cement and Concrete Composites, 1998(20): 103-112.

[2]陈建奎，混凝土外加剂的原理与应用[M].中国计划出版社，1977.

[3]李永德，陈荣军，孪祟智. 高性能减水剂的研究现状与发展方向[J]. 混凝土，2002(9)：10-13.

[4]卞荣兵，聚羧酸高效减水保塌剂的研制与应用[J]. 化学建材，1999(6)：9-11.

[5]廖国胜，马保国. 丙烯酸系减水剂在水工混凝土中的应用[J]. 混凝土，2004(9)：75-77.

[6]PENG Jia-hui，QU Jin-dong，ZHANG Jian-xin. Adsorption characteristics of water-reducing agents on gypsum surface and its effect on the rheology of gypsum plaster[J]. Cement and Concrete Research, 2005(35): 527-531.

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