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、抗彎強度，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性、和易性、早期強度、抗凍性、抗?jié)B性、水化進程等。尤其是在21世紀，高強、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的分散能力，減水率高達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，促進了高強混凝土、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。伴隨著高強度、高流動性混凝土的技術(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、低坍落度損失混凝土的制備得以實現(xiàn)。近年來，通過“分子設(shè)計”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，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，在用量很小的情況下就會對水泥顆粒產(chǎn)生很強的分散作用，而且這種分散作用還不會隨著時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高性能混凝土和高強超高強高性能混凝土的首選外加劑，混凝土配合比設(shè)計參數(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　高效減水劑在高強混凝土中的應(yīng)用

　　抗壓強度超過50～60MPa的混凝土通常被認為是高強混凝土，其重要特點是強度高、耐久性好、變形小。20世紀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，強度大大提高。以高強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)，還要促進集料界面過渡區(qū)的強度和質(zhì)量。為了達到上述目的，降低水灰比是主要方法。實踐表明，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，強度仍然增加。因此，高效減水劑是制備高強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，而且混凝土非常密實，能保持在嚴酷環(huán)境條件下提高其耐久性。

　　然而，隨著混凝土制備強度進一步提高，水泥和高效減水劑之間的相容性問題已引起普遍關(guān)注，減水劑的飽和點摻量、流動度損失和強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，如較高的強度、耐久性和耐腐蝕性等，而日本強調(diào)的是新拌混凝土的性質(zhì)，認為高流態(tài)、免振自密實混凝土就是高性能混凝土。事實上，這兩種性能是相互聯(lián)系、不可分割的?；炷烈獙崿F(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礦物摻和料。高性能減水劑應(yīng)是性能更好、更能滿足實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現(xiàn)高性能混凝土。