功能型聚羧酸减水剂的研究现状①

□□ 田壮壮，王立艳

(吉林建筑大学 材料科学与工程学院 吉林省建筑节能技术工程实验室，吉林 长春 130118)

引言

进入21世纪以来，我国经济的迅速发展和城市化建设的大力推进催发了建筑业的迅猛发展，减水剂的用量也随之大大增加。现在建筑领域广泛使用聚羧酸减水剂作为混凝土外加剂，它在掺量较低的情况下就可以发挥高减水率的功能，并且可以根据需求对其分子结构进行设计[1]。为了适应混凝土原材料的多样性和施工环境的复杂性，功能型的聚羧酸减水剂研究已经成为了减水剂领域研究的重点。其中，提高混凝土的保坍、早强、缓凝和抗泥性能是研究功能型聚羧酸减水剂的主要方向。

1 保坍型聚羧酸减水剂

现在建筑业普遍使用的是预拌混凝土，混凝土搅拌站往往又建在偏僻地带，离施工现场往往比较远。同时，商品混凝土被越来越多的施工项目使用导致混凝土的运输距离无法确定,经长时间运输的混凝土极有可能发生坍落度损失过大的情况。为了保证建筑质量和现场施工效率，应采取措施减少混凝土经远距离运输后流动度的损失。保坍型聚羧酸减水剂的出现有效地解决了这一问题。

1.1 交联型

通过将正常分子结构的聚羧酸减水剂发生交联，生成交联型聚羧酸减水剂在水解过程中会缓慢释放出正常结构的聚羧酸分子[2]。王福涛等[3]使用交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)使聚羧酸分子交联后，减水剂具有良好的保坍性和缓释性，且水泥颗粒对其吸附量和吸附速率较小。王虎群等[4]使用聚乙二醇二丙烯酸酯作为交联剂，水泥净浆初试流动度为275 mm，1 h后为285 mm，胶砂初始流动度为330 mm，1 h后为315 mm，保坍性能较好。

1.2 羧基保护型

通过将在碱性环境下可以水解出羧基的基团引入到聚羧酸分子链中，让羧基可以逐渐释放以此提高保坍性能这类基团通常用酯基、酰胺基和酸酐等基团[5]。李安等[6]以烯丙基聚氧乙烯醚(HPEG)为主要原料，采用了羧基保护法，加入不饱和羧酸、保坍功能单体溶液、Vc和链转移剂溶液，在30 ℃下合成了保坍型减水剂，保坍效果良好且工作性能稳定。徐春红等[7]将封端酰胺磷酸酯引入聚羧酸分子结构中，混凝土初始坍落度可达到210 mm，1 h后为200 mm，2 h后为180 mm，保坍效果良好。

1.3 两性型

在进行交联和羧基保护两个步骤之后，溶液中高分子在酸性环境下发生水解，从而使功能性基团呈阳性。在合成过程中，主要由酰胺基、铵内盐、端氨基等官能团提供阳离子单体[8]。LI S M等[9]通过将自研的阳离子单体马来酸二烷基季铵盐单体(MPD+)引入聚羧酸分子链中，显著提高了混凝土的保坍性能。ZHANG J F等[10]以甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)为主要原料合成了一种两性单体，并将其引入到聚羧酸分子链中，并得出两性功能单体引入后会和硅酸盐分子发生静电作用，这种静电作用提高了水泥性能。

2 早强型聚羧酸减水剂

近年来，装配式建筑发展迅速，已经成为建筑行业的发展趋势，即建筑构件由预制工厂生产，生产完成后运到施工现场组装的一种新型施工方式。为了提高预制构件生产效率以加快施工进度，往往要求预拌混凝土具有较高的早期强度。为了达到早强效果，除了选择合适的粗骨料、细骨料和矿物掺合料以外，选择具有早强性能的减水剂也是很有必要的。

2.1 长侧链型

早强型减水剂长侧链会发生较强的互斥作用，这种互斥作用会使得减水剂分子更加均匀地分散，从而使减水剂的作用发挥得更迅速更充分，从而使混凝土的早期强度快速提高。邹灵俊等[11]选用长侧链的聚醚单体、丙烯酰胺、丙烯酸和双氧水为底料，与丙烯酸和维生素C、巯基丙酸反应，得到早强型减水剂，并得出丙烯酰胺等摩尔替代丙烯酸比例为6%时，早强效果比较好。徐忠洲等[12]以甲基烯丙基聚氧乙烯醚(OXZQ-113，TPEG-4000)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要原料，通过增加聚羧酸分子的侧链长度和密度得到早强型减水剂，其应用后混凝土8 h、1 d、3 d抗压强度可达到13.7 MPa、27.6 MPa、47.0 MPa，该减水剂具有明显的早期强度提升能力。

2.2 早强功能基团

将早强型功能单体引入聚羧酸减水剂分子链中会明显增强聚羧酸减水剂的早强性能。雷田雨等[13]通过引入酰胺基团合成了一种早强型聚羧酸减水剂，得出当单体摩尔比n(异戊烯醇聚氧乙烯醚)∶n(丙烯酸)∶n(N-羟甲基丙烯酰胺)=1.0∶3.6∶0.4时，减水剂的早强效果较好。陈进等[14]研究发现，当往聚羧酸分子中引入早强功能单体(AMPS)后，混凝土1 d、3 d、7 d和28 d的抗压强度可分别达到32 MPa、47 MPa、62 MPa和77 MPa，早强效果明显。陈柱光等[15]研究发现，将酰胺基团引入聚羧酸分子后，混凝土1 d、3 d和7 d的抗压强度可分别达到38.7 MPa、53.7 MPa、67.9 MPa，早期强度提升明显。

3 抗泥型聚羧酸减水剂

由于优质的天然砂在当今已经成为了稀缺建筑材料，机制砂和劣质天然砂在建筑工程中被广泛使用。然而混凝土的性能因机制砂中的石粉含量超标或劣质天然砂中泥土含量过多而受到影响。陈建斌[16]发现当集料含泥量达到10%时，混凝土坍落度显著降低，并且混凝土7 d和28 d的抗压强度分别降低14.7%、24.6%。使用抗泥型聚羧酸减水剂可以有效减小因使用机制砂或劣质河砂带来的不利影响。

3.1 抗泥功能单体

按照对聚羧酸减水剂具有抗泥性的要求，使功能单体与聚羧酸分子发生共聚，从而合成一种抗泥型聚羧酸减水剂[17]。曲启恒等[18]将磷酸酯功能性单体(PZ)引入聚羧酸分子链后，与含泥量为4.5%的河砂进行混凝土性能试验，结果表明混凝土的初始坍落度和扩展度分别可以达到210 mm和480 mm，并且2 h后依然可以保持坍落度和扩展度为205 mm和430 mm，抗泥效果显著。刘尊玉等[19]以丙烯酸(AA)、异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG，Mn=2 400)、为主要原料，将封端酰胺磷酸酯和二元酯引入聚羧酸分子中，抗泥降黏性能得到显著提高。俞寅辉[20]等人以马来酸酐(MA)、蔗糖、过硫酸铵(APS)、亚硫酸氢钠(NHS)、二甲基甲酰胺、异戊烯基聚氧乙烯醚(TPEG，Mn=2 400)为主要原料，先合成马来酸酐-蔗糖酯化物(MAS)，再将MAS与大单体共聚，合成了一种具有良好抗泥性能的聚羧酸减水剂，得出当n(MA)∶n(TPEG)∶n(MAS)=3∶1∶1时抗泥效果最佳。

3.2 复配牺牲剂

现有聚羧酸减水剂通过复配对泥土敏感的牺牲剂可以显著提高抗泥性能，并且牺牲剂大多价格低廉，可以有效减少成本。黎锦霞等[21]将自研的季铵盐型抗泥剂与聚羧酸减水剂复配使用，得出当抗泥剂掺量为0.04%时抗泥效果最佳。杨月青[22]将自研的基于β-CD两性型黏土抑制剂与聚羧酸减水剂复配使用，得出当黏土抑制剂掺量为0.195‰时，效果显著。

4 缓凝型聚羧酸减水剂

在复杂的施工环境中，有时为了更加安全的施工，会要求混凝土具有较长的初凝时间和终凝时间。

王玫等[23]将葡萄糖酸钠(SG)、柠檬酸(CA)、白糖(WS)和氨基三甲叉磷酸(ATMP)等4种缓凝剂分别与保坍型聚羧酸减水剂进行复配，得出当缓凝剂掺量同为0.03%时，复配ATMP的减水剂缓凝效果最佳。郭学铭[24]将缓凝组分葡萄糖酸钠与聚羧酸减水剂复配使用，得出葡萄糖酸钠的引入明显延长了水泥浆体的凝结时间，并提高了水泥浆体的流动度。

5 结语

与普通的聚羧酸减水剂相比，功能型聚羧酸减水剂可以更有针对性地解决混凝土施工中遇到的问题。目前对于保坍、早强、抗泥、缓凝等功能型聚羧酸减水剂的研究已经非常成熟，而且得到了广泛应用。但建筑施工中遇到的问题往往复杂多变，有时单一功能的聚羧酸减水剂并不能解决多种问题，这就要求聚羧酸减水剂应向“一剂多能”的方向发展，在高减水率的同时具有多种其他功能。