在所有混凝土外加剂产品中,减水剂是目前研究和使用最广泛的一种。掺加减水剂可以改善混凝土拌合物的流动性,易于施工,并可实现高难度的施工工艺,如高程泵送、自密实、自流平等;在保持坍落度不变的情况下,可减少用水量,提高强度(可配制C6～C100以上混凝土),改善耐久性;在保持坍落度和设计强度不变的情况下,则可节约水泥用量(10%～25%),有利于节能、降耗和环保。
一、混凝土减水剂的分类和主要品种
按照《GB8076-1997混凝土外加剂》标准,我国减水剂分为普通减水剂和高效减水剂两类。
1.普通减水剂
所谓普通减水剂,是指减水率不小于5%,3天、7天抗压强度比为10%以上,28天抗压强度比为5%以上的减水剂。
我国普通减水剂品种主要有木质素磺酸盐(木钙、木钠、木镁、木铵、木钾等)、糖钙和糖蜜等。
2.高效减水剂
所谓高效减水剂,是指能大幅度减少用水量和提高新拌混凝土的和易性的外加剂。标准要求其减水率必须不小于10%,1天、3天、7天、28天抗压强度比必须分别在130%、120%、115%和110%以上。
我国高效减水剂品种主要有萘磺酸盐甲醛缩合物(萘系)、磺化三聚氰胺甲醛缩合物(三聚氰胺系)、氨基磺酸盐系、脂肪族系和聚羧酸盐系减水剂等。
二、混凝土减水剂的特点、应用现状和发展趋势
1.木质素磺酸盐系减水剂
木质素磺酸盐系减水剂是世界上使用最早的减水剂品种,已有70年的历史。它的减水率相对较低(5%～12%),具有一定缓凝性,对混凝土抗压强度提高的幅度较小,一般仅用于强度等级为C35以下的混凝土。在大体积混凝土中,木质素磺酸盐系减水剂的应用也较广泛。木质素磺酸盐掺量大时混凝土含气量高,缓凝性强,对强度有严重的负面影响。另外,这类减水剂与调凝组分为硬石膏的水泥不适应。
由于目前混凝土追求大流动性、高强和高耐久性,一定程度上影响了木质素磺酸盐系减水剂的使用,但由于它的原材料来源广泛,价格便宜,仍占据着较大的市场。将木质素磺酸盐系减水剂与萘系、三聚氰胺系、氨基磺酸盐系,甚至聚羧酸盐系等高效减水剂复配使用,也是相互补充的一种手段。
2.萘系高效减水剂
萘系高效减水剂根据其产品中Na2SO4含量的高低,可分为高浓型产品(Na2SO4含量<3%)、中浓型产品(Na2SO4含量3%～10%)和低浓型产品(Na2SO4含量>10%)。目前大多数萘系高效减水剂合成厂都具备将Na2SO4含量控制在3%以下的能力,有些先进企业甚至可将其控制在0.4%以下。
萘系减水剂是我国目前生产量最大,使用最广的高效减水剂(占减水剂用量的70%以上),其特点是减水率较高(15%～25%),不引气,对凝结时间影响小,与水泥适应性相对较好,能与其他各种外加剂复合使用,价格也相对便宜。萘系减水剂常被用于配制大流动性、高强、高性能混凝土。单纯掺加萘系减水剂的混凝土坍落度损失较快。另外,萘系减水剂与某些水泥适应性还需改善。目前,萘系高效减水剂由于原材料———工业萘供应的紧张,价格浮动较大。
甲基萘、古马隆属于焦油的下游产品,这两种原材料,以及蒽油,都可以替代工业萘用以合成高效减水剂,但此类高效减水剂在市场上并不多见,经常是在工业萘供货十分紧张的情况下,有些工厂才生产。这些产品往往挥发成分较多,有刺激性气味,缓凝较严重,引气性大,减水、增强效果不如萘系高效减水剂,混凝土坍落度损失较严重,与水泥适应性不佳。根据试验和统计,几种多环芳烃型高效减水剂的性能差异可以归纳为,减水率:萘系>古马隆系>蒽系> 甲基萘系>煤焦油混合系;引气性:煤焦油混合系>甲基萘系>蒽系>古马隆系>萘系;缓凝作用:煤焦油混合系>甲基萘系>蒽系>古马隆系>萘系;混凝土坍落度损失:蒽系>甲基萘系>萘系>古马隆系>煤焦油混合系。
3.三聚氰胺系高效减水剂
三聚氰胺系高效减水剂引气性小,无缓凝作用,减水率与萘系高效减水剂相当,对混凝土增强效果较好,但掺这种减水剂的混凝土坍落度损失也较快。由于三聚氰胺系高效减水剂生产成本较高,性能上并没有表现出明显超越萘系高效减水剂之处,所以结构混凝土工程中极少使用。由于其无色和低引气性的特征,目前在干粉建材及彩色路面砖等的生产中得到应用。
4.脂肪族系高效减水剂
脂肪族系高效减水剂生产工艺相对简单,其掺量较低(0.5%),减水率20%以上,引气量较低,不使混凝土过分泌水,对混凝土凝结时间影响较小。由于其掺入混凝土中后易渗色,经常受到用户的质疑,但并不影响混凝土的内在和表面性能。这种高效减水剂目前在高强管桩生产中应用较多。
5.氨基磺酸盐系高效减水剂
氨基磺酸盐系高效减水剂以氨基苯磺酸、苯酚、甲醛等为主要原料,也可用苯酚和尿素等原料合成。
氨基磺酸盐系高效减水剂在掺量较低(0.2%～0.3%)时具有一定的塑化效果,它不仅具有较高的减水率(23%～28%),而且可有效地控制混凝土坍落度损失。氨基磺酸盐系减水剂掺量较高时也易引起过度泌水和缓凝。将氨基磺酸盐系高效减水剂与萘系高效减水剂等进行复合,不仅可以减少泌水,改善萘系高效减水剂与水泥的适应性,而且能增强混凝土的坍落度保持性。这类高效减水剂生产成本比萘系减水剂高。
6.聚羧酸盐系高效减水剂
与其他品种减水剂相比,聚羧酸盐系高效减水剂不仅具有超分散性能,而且能抑制混凝土的坍落度损失,是目前国内外减水剂开发研究的重点。聚羧酸盐系减水剂与不同的水泥均有相对较好的适应性,在低水胶比时更易发挥其低黏度和坍落度保持性能,所以它在欧洲和日本的推广应用很快。
聚羧酸盐系高效减水剂与其他高效减水剂相比,其突出优点主要表现为:1)掺量低(固体掺量为0.2%～0.5%);2)对水泥浆体的分散性强;3)混凝土坍落度损失小,一般可保证坍落度维持1～2小时不损失;4)在相同流动性情况下,对混凝土凝结时间延缓较少;5)强度改善效果明显;6)与水泥适应性好;7)分子结构自由度大,进一步改善和分子优化的空间较大;8)合成中不使用甲醛,对环境不造成污染,属于绿色环保产品。
由于聚羧酸系高效减水剂具有以上多种独特优点,被认为是发展前景十分广阔的外加剂。但由于对聚羧酸系减水剂的合成、作用机理和应用等方面的研究深度不够,还存在一些急需解决的问题,包括:1)深入了解不同单体间复杂的相互作用,为改性提供理论依据;2)清楚地表征该类减水剂的化学结构,从而找出其性能与结构间的关系;3)虽然这种减水剂与水泥的相容性比其他种类的减水剂更好,但也经常发生混凝土坍落度损失太快及混凝土快硬等不正常现象,应尽快找出原因,并通过合成或复配工艺解决;4)掺该外加剂配制的低水胶比混凝土拌合物有时黏性太大,泵送困难,而有时黏度太低,振动成型时极易分层,或者有时泌水、引气现象十分严重;5)聚羧酸系高效减水剂与常用缓凝组分、引气组分和早强组分的相容性问题也需要解决。
