新型高效混凝土外加劑的應(yīng)用與現(xiàn)狀

　　摘要：現(xiàn)代建設(shè)工程和工程建筑物及其施工技術(shù)對混凝土的要求越來越多也越來越高，不僅要求具有適當(dāng)?shù)目箟?、抗折、抗拉、抗彎?qiáng)度，而且要求其具有高抗凍性、抗?jié)B性、耐腐蝕性、抗堿-骨料反應(yīng)性、致密性和耐久性，以能抵抗各種來自內(nèi)部或外部因素的破壞，并要有合適的流動(dòng)性和成型及水化性能，以滿足各種施工環(huán)境和施工條件的要求。因而在混凝土的制備過程中，通常要在其拌合物中或拌合前摻入不大于水泥重量一定比例(通常為5%)的外加劑，以期改變或改善混凝土性能諸如流動(dòng)性、和易性、早期強(qiáng)度、抗凍性、抗?jié)B性、水化進(jìn)程等。尤其是在21世紀(jì)，高強(qiáng)、高性能及高耐久性混凝土的發(fā)展和應(yīng)用更是離不開各種高效外加劑的使用。為滿足和適應(yīng)這些要求，世界各國混凝土材料專家進(jìn)行了大量的研究、開發(fā)和應(yīng)用，不斷地研制各種外加劑及其復(fù)合應(yīng)用，使混凝土的性能改善取得了明顯成效。

　　1　新型高效減水劑

　　高效減水劑是上世紀(jì)60年代開發(fā)出來的減水劑。1963年，聯(lián)邦德國研制成功三聚氰胺磺酸鹽甲醛縮聚物，同時(shí)出現(xiàn)的還有多環(huán)芳烴磺酸鹽甲醛縮合物。由于這三種外加劑對水泥有強(qiáng)的分散能力，減水率高達(dá)20%~30%，而不同于普通的塑化劑(減水劑)，因而稱為高效減水劑或超塑化劑。高效減水劑給混凝土帶來了變革性的變化，促進(jìn)了高強(qiáng)混凝土、流態(tài)混凝土和集中攪拌的商品混凝土的發(fā)展，已廣泛用于制備自流平砂漿和混凝土、水下澆灌混凝土、宏觀無缺陷混凝土和高性能混凝土等。伴隨著高強(qiáng)度、高流動(dòng)性混凝土的技術(shù)發(fā)展，混凝土外加劑有了很快地發(fā)展。最初發(fā)展起來的是萘系、密胺系高效減水劑，近年來聚羧酸系減水劑的優(yōu)越性能已得到國際上廣泛的認(rèn)同和普遍使用。在混凝土中摻入高效減水劑后，許多性能如微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、吸附性、硬化速度、強(qiáng)度等都將發(fā)生改變，水泥礦物水化和水泥本身的一些性能也會(huì)受到影響。新型高性能減水劑是目前國內(nèi)外高性能混凝土技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。

　　1.1　聚羧酸系高效減水劑

　　多年來，科研和生產(chǎn)部門采用把減水劑與緩凝劑的復(fù)合物摻入混凝土以使坍落度損失有所減緩，但仍未根本上解決問題。聚羧酸系減水劑的問世，使高流動(dòng)、低坍落度損失混凝土的制備得以實(shí)現(xiàn)。近年來，通過“分子設(shè)計(jì)”合成聚羧酸系高性能減水劑并探討其結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究非?；钴S。聚羧酸系物質(zhì)由于其分子結(jié)構(gòu)特性具有很多優(yōu)點(diǎn)，低摻量發(fā)揮高效塑化效果、坍落度保持性好、水泥適應(yīng)性廣、減水效率高、分子構(gòu)造上自由度大、合成技術(shù)多，因而高性能化的余地很大。在結(jié)構(gòu)特征上，聚羧酸系減水劑完全不同于傳統(tǒng)的萘磺酸甲醛縮合物或磺化三聚氰胺甲醛縮合物類高效減水劑，其親水性的官能團(tuán)主要為羧基，而憎水性的聚合物主鏈則主要是脂肪族結(jié)構(gòu)單元，在線形主鏈上還帶有許多一定長度的側(cè)鏈，形成所謂的梳形結(jié)構(gòu)。它的分散和分散保持性能與化合物的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，良好的結(jié)構(gòu)特征可以使其在混凝土中作為減水劑使用時(shí)，在用量很小的情況下就會(huì)對水泥顆粒產(chǎn)生很強(qiáng)的分散作用，而且這種分散作用還不會(huì)隨著時(shí)間的延長而明顯降低，即表現(xiàn)出較好的坍落度保持性能。

　　聚羧酸系高性能減水劑是配制免振搗自密實(shí)高性能混凝土和高強(qiáng)超高強(qiáng)高性能混凝土的首選外加劑，混凝土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)變化較大，性能得到顯著改善。聚羧酸系高效減水劑可以在保持混凝土的工作性和高流動(dòng)性的條件下，使混凝土的水灰比降至最低。但并非所有的聚羧酸系高效減水劑都是高性能減水劑，分子結(jié)構(gòu)不良的聚羧酸系高效減水劑很難適應(yīng)現(xiàn)代水泥和混凝土技術(shù)的要求。如何從不同的結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)合適的合成途徑和工藝條件，從而研究其結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，進(jìn)而確定含羧基聚合物的最佳組成和結(jié)構(gòu)是混凝土減水劑研究領(lǐng)域一個(gè)有重要意義且有待于突破的大課題。
　　1.2　高效減水劑在高強(qiáng)混凝土中的應(yīng)用

　　抗壓強(qiáng)度超過50～60MPa的混凝土通常被認(rèn)為是高強(qiáng)混凝土，其重要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐久性好、變形小。20世紀(jì)60～70年代，高效減水劑的應(yīng)用使混凝土業(yè)出現(xiàn)了驚人的進(jìn)展，突出地體現(xiàn)在水灰比從小于0.50大幅度地降低到可以小于0.30甚至更低，從而混凝土能夠迅速地硬化，強(qiáng)度大大提高。以高強(qiáng)度混凝土建造的高層建筑物和大跨橋梁迅速獲得應(yīng)用，施工工期縮短和模板周轉(zhuǎn)加快。

　　目前，獲得高強(qiáng)混凝土的最基本途徑是選擇優(yōu)質(zhì)的膠凝材料、骨料與高效減水劑，然后優(yōu)化這些材料的配比。其關(guān)鍵是減少基體中的孔隙率，微裂紋和脆弱晶體結(jié)構(gòu)，還要促進(jìn)集料界面過渡區(qū)的強(qiáng)度和質(zhì)量。為了達(dá)到上述目的，降低水灰比是主要方法。實(shí)踐表明，水灰比為0.3以下的混凝土材料比水灰比為0.4以上的具有明顯優(yōu)越的質(zhì)量，且當(dāng)水灰比降低到水泥漿體完全水化所需理論最低值時(shí)，強(qiáng)度仍然增加。因此，高效減水劑是制備高強(qiáng)混凝土必不可少的組分。1988年在美國西雅圖TwoU?鄄nionSquareBuilding工程建設(shè)中，使用的133MPa高強(qiáng)混凝土，采用了高效減水劑，水灰比都在0.4以下，不僅可以確保建筑物的大空間、降低工程的總造價(jià)，而且混凝土非常密實(shí)，能保持在嚴(yán)酷環(huán)境條件下提高其耐久性。

　　然而，隨著混凝土制備強(qiáng)度進(jìn)一步提高，水泥和高效減水劑之間的相容性問題已引起普遍關(guān)注，減水劑的飽和點(diǎn)摻量、流動(dòng)度損失和強(qiáng)度常用來判定減水劑在混凝土拌合物中的相容性。減水劑的相容性研究能夠進(jìn)一步揭示其在混凝土中的物理化學(xué)作用。

　　1.3　高效減水劑在高性能混凝土中的應(yīng)用

　　高性能混凝土的定義一般包括高流動(dòng)性和長期使用的力學(xué)性能和耐久性能兩方面。歐美國家注重于混凝土硬化后的高性能，如較高的強(qiáng)度、耐久性和耐腐蝕性等，而日本強(qiáng)調(diào)的是新拌混凝土的性質(zhì)，認(rèn)為高流態(tài)、免振自密實(shí)混凝土就是高性能混凝土。事實(shí)上，這兩種性能是相互聯(lián)系、不可分割的。混凝土要實(shí)現(xiàn)高性能化，解決問題的關(guān)鍵在于組成材料和工藝過程。首先，在組成材料和配合比方面，通常使用高性能減水劑和超細(xì)礦物摻和料。高性能減水劑應(yīng)是性能更好、更能滿足實(shí)際需要的高效減水劑，即除具有高效減水、改善混凝土孔結(jié)構(gòu)和密實(shí)程度等性能外，還能控制混凝土的坍落度損失，更好地解決混凝土的引氣、緩凝、泌水等問題?？梢哉f，沒有高性能減水劑就不可能實(shí)現(xiàn)高性能混凝土。