高效减水剂作用机理研究综述

高效减水剂作用机理研究综述 高效水剂作用杌理研究综述 徐州空军学院机场工程系蔡路陈太林陈磊桑宝岩 高性能混凝土取代了普通混凝土,满足了现代 建筑的需要,在国内外得到了广泛的应用.高性能混 凝土的配制离不开化学外加剂,高效减水剂对混凝 土的高性能化起着至关重要的作用,成为高性能混 凝土不可或缺的组分.高效减水剂有效的解决了新 拌混凝土塌落度损失,使其具有良好的工作性,具有 很好的减水效果,提高混凝土的耐久性. l高效减水剂的作用机理 高效减水剂有效地减少了混凝土的的塌落度损 失,改善混凝土的工作度,提高流动性,在高性能混 凝土中发挥重要的作用,只是至今为止仍旧没有一 个完美的理论来解释高效减水剂的作用机理,但有 几个理论为大家普遍认同. 1.1静电斥力理论 水泥水化后,由于离子间的范德华力作用以及 水泥水化矿物,水泥主要矿物在水化过程中带不同 电荷而产生凝聚,导致了混凝土产生絮凝结构.高效 掺人到混凝土 减水剂大多属阴离子型表面活性剂, 中后,减水剂中的负离子-SO一,-CO0一就会在水泥粒 子的正电荷ca的作用下而吸附于水泥粒子上,形 成扩散双电层(Zeta电位)的离子分布,在表面形成 扩散双电层的离子分布,使水泥粒子在静电斥力作 用下分散,把水泥水化过程中形成的空间网架结构 中的束缚水释放出来,使混凝土流动化.Zeta电位 的绝对值越大,减水效果就越好.随着水泥的进一步 水化,电性被中和,静电斥力随之降低,范德华力的 作用变成主导,对于萘系,三聚氰胺系高效减水剂的 混凝土,水泥浆又开始凝聚,塌落度经时损失比较大, 所以掺人这两类减水剂的混凝土所形成的分散是不 稳定的.而对于氨基磺酸,多羧酸系高效减水剂,由 于其与水泥的吸附模型不同,粒子间吸附层的作用 力不用于前两类,其发挥分散作用的主导因素不是 Zeta电位,而是一种稳定的分散. 1.2立体位阻效应 掺有高效减水剂的水泥浆中,高效减水剂的有 机分子长链实际上在水泥微粒表面是呈现各种吸附 状态的.不同的吸附态是因为高效减水剂分子链结 构的不同所致,它直接影响到掺有该类减水剂混凝 土的坍落度的经时变化.有研究表明萘系和三聚氰 胺系减水剂的吸附状态是棒状链,因而是平直的吸 附,静电排斥作用较弱.其结果是Zeta电位降低很 快,静电衡容易随着水泥水化进程的发展受到破坏, 使范德华引力占主导,坍落度经时变化大.而氨基磺 酸类高效减水剂分子在水泥微粒表面呈环状,引线 状和齿轮状吸附,它使水泥颗粒之间的静电斥力呈 现立体的交错纵横式,立体的静电斥力的Zeta电位 经时变化小,宏观表现为分散性更好,坍落度经时变 化小.而多羧酸系接枝共聚物高效减水剂大分子在 水泥颗粒表面的吸附状态多呈齿形.这种减水剂不 但具有对水泥微粒极好的分散性而且能保持坍落度 经时变化很小.原因有三:其一是由于接枝共聚物有 大量羧基存在.具有一定的螯合能力,加之支链的立 体静电斥力构成对粒子间凝聚作用的阻碍;其二是 因为在强碱性介质例如水泥浆体中,接枝共聚链逐 渐断裂开,释放出羧酸分子,使上述第一个效应不断 得以重视;其三是接枝共聚物Zeta电位绝对值比萘 系和三聚氰胺系减水剂的低,因此要达到相同的分 散状态时,所需要的电荷总量也不如萘系和三聚氰 胺系减水剂那样多.对于有侧链的聚羧酸减水剂和 氨基磺酸盐系高效减水剂,通过这种立体排斥力,能 保持分散系统的稳定性. l-3润滑作用 高效减水剂的极性亲水基团定向吸附于水泥颗 粒表面,多以氢键形式与水分子缔合,再加上水分子 之间的氢键缔合,构成了水泥微粒表面的一层稳定 的水膜,阻止水泥颗粒间的直接接触,增加了水泥颗 上海建材2005年第6期?21 起到润滑作用,从而进一步提高浆 粒间的滑动能力, 体的流动I生.水泥浆巾的微小气泡,同样对减水剂分 的定向吸附极性基团所包裹,使气泡与气泡及气泡 与水泥颗粒问也因同电性相斥而类似在水泥微粒间 加入许多微珠,亦起到润滑作用,提高流动性. 2与水泥的适应性问题 按照混凝土外加剂应用技术,将经检验符 合有关的某种外加剂,掺加到按规定可以使用 该品种外加剂的水泥所配制的混凝土(或砂浆)中, 若能够产生应有的效果,就认为该水泥与这种外加 剂是适应的;相反,如果不能产生应有的效果,则该 水泥与这种外加剂之间存在不适应性.高效减水剂 与水泥产生不适应性的时候,能够直观快速地反应 出来,如流动I生差,减水率低,拌合物板结发热,塌落 度损失过快等.高效减水剂与水泥的适应性受诸多 因素的影响,评价高效减水剂与水泥的适应性是十 分复杂的. 2.1水泥矿物成分的影响 水泥中c,A的含量越低,减水剂与水泥的适应 性较好;当水泥中c,A的含量高时,减水剂的使用效 果较差.各种试验表明,cA含量高的水泥,将形成 大量的钙矾石,须消耗大量的水,使混凝土流动度降 低,需增加减水剂的用量.这是因为减水剂溶解后, 优先选择性地吸附在c,A或其初期水化物表面,从 而使对其它粒子产生分散作用的有效的减水剂量相 应减少. 2.2水泥碱性的影响 现代工程普遍采用纯硅或普硅水泥,而这类水 泥的碱度是比较高的.加上砂,石或外掺材料等也都 带有一定数量的碱.碱含量对减水剂与水泥的适应 性有很大影响,试验表明,掺量一样的同种减水剂, 采用碱含量高的水泥,其水泥净浆的流动性就较差, 塑化效果亦差. 2.3水泥细度的影响 当水泥细度增加时,水泥比表面积就增大.因此, 就需要有更多的分散剂的分子吸附覆盖在水泥颗粒 表面,才能达到预期的使用效果.水泥颗粒越细,其 净浆流动稳定性越差,要有好的流动性,则所需的减 水剂就要增多. 2.4水泥中石膏的影响 石膏控制硅酸盐水泥的凝结时间与硬化速度, 22?上海建材》2005年第6期 一 般会以二水石膏,半水石膏,可溶性或不可溶性硬 石膏(无水石膏)等几种形式存在.由于它们的溶解 度和溶解速度是不相同的,在混合物中c与S04 之间的平衡将直接影响减水剂的使用效果.以无水 石膏作为调凝剂的水泥碰到木钙,糖钙减水剂时, 会产生严重的不适应性,不仅得不到预期的效果, 而且往往会引起流动损失过快甚至异常凝结.因此, 对于掺有硬石膏的水泥,在使用减水剂时要特别小 心. 2.5高效减水剂自身特性的影响 高效减水剂的分子结构对其塑化效果有很大的 影响,这在前面已经论述过了.此外,减水剂的掺量, 形态等其他因素有影响.当高效减水剂掺量过高时, 其分散作用可能影响到水化产物,阻碍它们之间的 粘结,从而推迟强度增长以及降低最终的强度.三聚 氰胺系高效减水剂,氨基磺酸盐系高效减水剂在施 工中只有以水剂方式作用才能发挥良好的塑化效果. 3高效减水剂的发展方向 通过对已应用的各种高效减水剂性能的比较和 对各种减水剂分子与水泥颗粒作用机理的研究,聚 羧酸类高效减水剂将是今后研究和开发的目标.我 国在聚羧酸盐系高效减水剂的研究方面还处于探索 和模仿的阶段,大部分科研单位还停留在实验室简 单的合成阶段,几乎没有机理方面的研究,总体技术 较为落后.聚羧酸类高效减水剂分子中分子组成,主 链的长短,侧链的长短,活性基团的类型和侧链的多 少都决定着减水剂的性能.今后我国在高效减水剂 方面的研究上主要有以下几个趋势: (1)利用聚合物分子,解决聚羧酸盐系高 效减水剂中梳形聚合物主链链长和官能团,支链链 长以及链上的封端基团对减水,引气,缓凝作用的影 响问题; (2)进一步加强高效减水剂作用机理的研究, 从根本上解决高效减水剂分子结构与其性能关系的 问题,为开发新型减水剂打下理论基础; (3)不同类型的减水剂的复合使用,或根据分 子设计的原则进行共聚,研制综合性能优异的高效 减水剂. 总之,聚羧酸系高效减水剂具有较高的减水率 和较好控制塌落度损失的功能,必将成为减水剂的 研究焦点.