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混凝土减水剂母料发展历史

1.减水剂的发展大致经历了哪几个阶段?聚羧酸减水剂是减水剂发展到哪个阶段的产物,它与以往的减水剂又有什么不同?
  一般认为,减水剂的发展可以大致分为三个阶段,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以及以聚羧酸系为代表的第三代高性能减水剂阶段。第一、二代减水剂由于掺量大,减水不够,水泥适应性不广,坍落度损失大,采用有毒物质为原料等问题而受到制约。20世纪80年代初期出现的聚羧酸系高效减水剂被认为是第三代减水剂,它是当今国内外最新一代减水剂,它以其优异的性能,正成为世界性研究热点。

  减水剂在经历了从木素磺酸盐、萘磺酸盐缩合物、三聚氢胺甲醛缩合物、氨基磺酸盐系、聚羧酸系等发展的历程之后,减水率也从8%增加到30%左右,高性能减水剂的应用,意味着满足同样性能的混凝土可以节约20%~30%的水泥,即可以节约水泥3.2-4.8亿吨,接近中国全年的水泥产量(1999年6月联合国《统计月报》)。因此,减水剂的使用,从源头实现混凝土的节能、省资、减污等清洁化生产。另外,高性能减水剂的使用,可使混凝土在满足所要求的各项性能的情况下,最大可能的掺用粉煤灰或其他矿物掺合料,实现了废物循环利用,减少了废物对大气环境的污染,同时也减少了废物侵吞宝贵土地的事实。随着建筑工业的不断发展,全世界每年对减水剂的需求量日益增大。

  目前,全世界的减水剂需求量约为480万吨,我国建筑行业每年需要的减水剂超过100万吨,根据2003年不完全统计,我国高效减水剂总量约92.5万吨,其中萘系及其衍生物约77.5万吨,占83%;氨基类9.5万吨,占10%;脂肪族3.6万吨,占4%;聚丙烯酸盐类约1.6万吨,占1.7%;密胺系约1.4万吨,占1.5%。即至今为止,萘系高效减水剂依然占据高效减水剂主要地位。

  聚羧酸系高性能减水剂除具有高性能减水(最高减水率可达35%)、改善混凝土孔结构和密实程度等作用外,还能控制混凝土的塌落度损失,更好地控制混凝土的引气、缓凝、泌水等问题。它与不同种类的水泥都有相对较好的相容性,即使在低掺量时,也能使混凝土具有高流动性,并且在低水灰比时具有低粘度及塌落度经时变化小的性能。因此可以预见,随着混凝土技术的发展,聚羧酸系减水剂以其优良的性能必将得到更大的发展和应用。
 
2.国外的减水剂发展已经经历了相当长的历史,我国减水剂与国外减水剂相比研究的现状如何?
①国外聚羧酸系减水剂的研究现状
  在国外,聚羧酸系减水剂的研究已有相当长的历史,20世纪80年代起,国内外就开始积极研发非萘系减水剂,以丰富石油化工产品为原料,以极高的减水率、极小的坍落度损失使萘系减水剂黯然失色,从而便开创出聚羧酸系混凝土减水剂技术新局面。

  目前,对聚羧酸系减水剂的研究主要集中在新拌混凝土有关性能和硬化混凝土的力学性能及高强高性能混凝土在工程中的应用技术。聚羧酸系减水剂可使混凝土的水灰比下降到0.25以下,而水泥用量仍可保持在500kg/m3,同时它的坍落度可保持200mm以上,可以满足施工要求。近年来,日本和欧美一些国家的研究者正在研究开发聚羧酸系减水剂,研究方向主要偏重于开发聚羧酸系减水剂及其相关的新拌混凝土工作性能和硬化混凝土的力学性能及工程使用技术等。

②国内聚羧酸系减水剂的研究现状
  在我国,聚羧酸系减水剂的研究尚较晚,其用量只占减水剂总用量的2%。聚羧酸系减水剂产品市场前景广阔,由于成本和技术性能问题,国内对聚羧酸类减水剂产品的研究仅处于实验室研制阶段,只有少量用作坍落度损失控制剂与萘系减水剂复合使用。研究开发聚羧酸系高性能减水剂是高性能混凝土技术发展的必然要求。

  为了缩小与国外的差距,必须加强聚羧酸系减水剂的基础研究,努力提高自身的研究开发水平。从目前的情况来看,必须深入研究聚合物的支链和主链对减水、引气、缓凝的影响,能工业化生产出一系列需要的大单体,优化聚合工艺,开展聚羧酸系减水剂与传统减水剂的协同效应研究,加强聚羧酸系减水剂应用技术的研究。
 
3. 现代混凝土技术的发展促使减水剂向着高性能、高耐久性的方向发展,高性能混凝土减水剂已成为混凝土技术发展的必然趋势,那么,在我国高性能混凝土减水剂的应用前景如何?
  现代混凝土技术不断向着高工作性、高强、高耐久或特种性能的方向发展,而混凝土减水剂技术的发展和应用则为混凝土向高性能化方向发展提供了前提。美国国家标准与技术研究院和美国混凝土协会于1990年召开会议,首次提出了高性能混凝土的概念,即采用普通原材料、常规施工工艺,通过掺加外加剂和掺合料配制而成的具有高工作性、高强度、高耐久性等综合性能优良的混凝土。高性能减水剂由于其超分散作用,特别是达到非常低的水胶比后使混凝土能够保持高的流动性,是高性能混凝土不可缺少的一种组分。目前,我国传统的高性能减水剂包括,改性木钙、萘系、三聚氰氨等,这些都难以满足高性能混凝土对减水剂性能的要求,而聚羧酸系高效减水剂的性能更优越,可根据实际情况配制各种不同强度等级的混凝土,而且其分子结构的可调性大,可根据具体要求制备出不同性能的减水剂。所以,推广应用聚羧酸系高效减水剂是混凝土向高性能化方向发展的必然要求。

  在日本,聚羧酸系高效减水剂的使用已高达90%左右,萘系减水剂只在预制混凝土制品中大量使用。在我国,由于高速铁路客运专线、大坝以及国家重点工程等大型项目的迅猛发展推动了聚羧酸高效减水剂的使用,而混凝土搅拌站对聚羧酸系减水剂的使用仍处于观望阶段,主要原因是其价格较高且没有丰富的使用经验。由此看来,我国的聚羧酸系高效减水剂在成本等方面还有较大的下降空间,再加上其使用经验的积累和工艺条件的成熟,在不久的将来聚羧酸系高效减水剂必将成为我国混凝土减水剂行业最主要的品种之一。
 
  国内聚羧酸减水剂的应用前景:
中国正处于高速、大规模建设时期,每年基本建设的投入达五万亿元以上;
“十一五”期间国家重点、重大工程的投资规模比“十五”期间翻了两番。
按2006年中国水泥产量估算,国内减水剂市场容量约200亿人民币,若聚羧酸减水剂市场占有量达到60%,销售收入将突破120亿人民币。

4.高性能混凝土减水剂已成为混凝土配比中不可缺少的组分,其产品的优劣,影响到我国每年数千亿元基础设施混凝土工程质量的好坏、耐久性和使用寿命,那么,高性能混凝土减水剂是如何起到增加混凝土流动性,提高混凝土强度的作用的呢?
  水泥加水拌合后,由于水泥颗粒间分子引力的作用,而产生许多絮状物,形成絮凝结构,在这种结构中,水泥颗粒周围包裹着很多拌合水,从而降低了混凝土拌合物的和易性。这时,若 加入适量的减水剂,则由于其表面活性作用,致使憎水基端定向吸附于水泥颗粒表面,亲水基端指向水溶液,于是使水泥颗粒表面均带上相同的电荷,加大了水泥颗 粒间的静电斥力,导致水泥颗粒相互分散。絮凝结构解体,包裹的游离水被释放出来,从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性。另一方面,由于减水剂对水泥的分 散作用,使水泥颗粒与水接触的表面增多,水化比较充分,从而可提高混凝土的强度。
 
5. 高性能混凝土减水剂的技术经济效果如何?

①在用水量不变时,混凝土塌落度可增大10~20cm;
②保持混凝土的和易性不变,可减水10%~50%,混凝土强度可提高15%~20%,特别是早期强度的提高更为显著;
③保持混凝土强度不变时,可节约水泥用量10%~15%;
④水泥水化放热速度减慢,放热峰出现推迟;
⑤混凝土泌水、离析现象得到很大改善;
⑥混凝土透水性可降低40%~80%,提高抗渗、抗冻、耐化学腐蚀及防锈蚀等能力;
⑦可配制特种混凝土,这将比采用特种水泥更为经济、简便和灵活。
 
6.目前工程上常用的减水剂分为哪几种,有何种特点?
   目前,减水剂主要有木质素系、萘系、树脂系、糖蜜系和聚羧酸等几类,各类还有引气剂和非引气剂之分。根据其对混凝土凝结、硬化速度的影响,又可分为普通型、早强型和缓凝型等三种。

(1)木质素系减水剂(lignosulphonate water reducer)
主要品种是木质素磺酸钙,是提取酒精后的木浆废液,经蒸发、磺化浓缩、喷雾干燥所制得的一种棕黄色粉状物,另外还有木钠、木镁型减水剂。其适宜掺量在0.2%~0.3%, 减水率10%左右,若不减水,塌落度可提高10cm左右,混凝土28d强度提高10%~20%,若保持强度不变,则可节约水泥10%;但是木钙对混凝土有 缓凝作用,一般缓凝1~3h,低温下缓凝性更强,掺量过多,缓凝严重。且木钙为引气减水剂,它使混凝土的含气量由不掺时的2%增为3.6%,这对混凝土强 度有影响,但对混凝土抗冻性有利。

(2)萘系减水剂(naphthalene formaldehyde water reducer)
萘系减水剂是由煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料。经磺化、缩合而成。其对水泥有强烈的分散作用,故其减水、增强、提高耐久性等效果均优于木质素,属高效减水剂。一般减水率在15%以上,早强显著,混凝土28d增强20%以上。适宜掺量为0.5%~1.5%左右,PH值7~9,适合于所有混凝土工程,更适于配制高强度混凝土及流化混凝土。

(3)糖蜜系减水剂
糖蜜系减水剂是以制糖厂生产过程中提炼食糖剩下的废液为原料,用石灰中和成盐类物质,为棕褐色粉状固体或糊状液体,其除了具有一般减水剂的功能外,还具有显著的缓凝作用,故属缓凝型减水剂,一般对初凝、终凝时间要延长3h以上。其适宜掺量为0.2%~0.3%,减水率6%~10%,混凝土28d强度增强15%~20%,若保持原强度不变,可节约水泥10%左右。

(4)聚羧酸减水剂(母料为大单体HPEG-2400)
聚羧酸高效减水剂具有特殊的梳状结构,通过静 电效应和空间位阻效应促使水泥粒子分散,改善混凝土拌合物的和易性,能有效降低用水量,提高混凝土各项物理性能,包括混凝土抗压、抗拉、抗折强度及弹性模 量,改善混凝土抗冻性及抗渗性;能调节混凝土的凝结时间,改善混凝土的施工性能;同时,也能减少泌水性,提高混凝土密实性等其他效果,以提高混凝土的耐久 性。其有效掺量为0.1%~0.2%,聚羧酸减水剂的分散性强,掺量低,混凝土塌落度损失小,与不同水泥的相容性好,不引起明显缓凝,微引气。

(文章来源:海安石化)

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