聚羧酸系减水剂研究方兴未艾

在我国减水剂市场中，聚羧酸系减水剂目前已占85%以上，不仅广泛应用于预拌混凝土，而且在预制混凝土中也发挥着不可替代的重要作用。今后一段时期内，聚羧酸系减水剂仍将是国内外混凝土外加剂研究开发者普遍重视的研究对象。

同济大学材料科学与工程学院教授孙振平见证并参与了聚羧酸系减水剂从诞生到如今辉煌发展的整个过程。近日在接受本报记者采访时，他表示，混凝土原材料新问题和混凝土工程新要求将长期存在，混凝土外加剂工作者任重而道远，而聚羧酸系减水剂的研究者、生产者对聚羧酸系减水剂的研究将方兴未艾。

2020年中铁上海局承建的馨安隧道（浙江金华） 孙振平/供图

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研究工作从未停止

继木质素磺酸盐系普通减水剂为代表的第一代减水剂、萘系高效减水剂为代表的第二代减水剂后，聚羧酸系减水剂是出现的第三代减水剂，以其掺量较低（固体掺量0.20%左右）、减水率高（不小于25%，甚至达35%）、增强效果好（28d抗压强度比不小于30%）、对混凝土收缩率增加的量较少（28d收缩率比不大于110%）、生产过程中不使用甲醛等对生物有害的原料、可灵活设计的分子结构，因而有希望合成出具有如缓释保坍、降黏、低引气等不同功能的减水剂产品，也因此受到混凝土外加剂研究、生产和应用者的亲睐。

“当前，不仅自密实混凝土，高强和超高强混凝土，高性能和超高性能混凝土等需要低水胶比（0.30～0.45）和超低水胶比（0.15～0.30）的特种混凝土依赖聚羧酸系减水剂，普通混凝土也离不开聚羧酸系减水剂。”孙振平指出，我国聚羧酸系减水剂的发展经历了初次接触、进口试应用、自行研制和试生产、产品标准化和应用规范化、大力推广、大规模生产和应用等六个阶段。由于聚羧酸系减水剂至今并不能完美地满足混凝土工程提出的各种新要求和解决混凝土原材料面临的各种新问题，所以对聚羧酸系减水剂的研究工作不能松懈，也不能停止。

新问题需要新技术

“尽管我国混凝土外加剂的研究、生产和应用取得令人瞩目的成就，但面临的问题仍然很多。”孙振平指出，聚羧酸系减水剂用于改善混凝土拌和物的工作性（流动性、黏聚性和保水性），人们在使用中还十分关注它的引气性、对混凝土凝结时间的影响，以及对硬化后混凝土力学性能、变形和耐久性指标的影响。不仅如此，工程界对混凝土拌合物状态的描述还有稀、稠、黏、流、扒底，以及黏而不流、黏而流、稀而不动、稀而流、泛青光、发涩等，这些现象不仅与混凝土其他原材料的品质和特性有关，更与所使用的聚羧酸系减水剂有关。混凝土行业内把一切重托都寄希望于聚羧酸系减水剂，因此，聚羧酸系减水剂的研究者、生产者不得怠慢，聚羧酸系减水剂的研究方兴未艾。

很多时候，聚羧酸系减水剂面临的水泥状况更像一个“盲盒”，因为你难以获知水泥中熟料的信息，难以获知混合材种类与比例的信息，更难获知生料助磨剂、熟料助磨剂和增强剂（近来水泥中有掺增强剂的）信息。课题组正在开发聚羧酸系助磨剂，以保障水泥与聚羧酸系减水剂的适应性。机制砂代替河砂作为混凝土的细骨料，已经成为不可逆转的趋势。“当前，面对这些挑战及需求，多数研究者会通过优化聚羧酸系减水剂的分子结构来实现对性能的提高和特殊功能的赋予，包括大单体种类和分子量的选择，不同种类功能基团的引入，酸醚比及聚羧酸系减水剂总分子量的调整等。但同时也需要认识到，对聚羧酸系减水剂与某些功能性较强的外加剂复掺，在保证高减水率的情况下，通过复掺的外加剂来解决如抗泥、增黏保水、调凝控强等需求，也是值得尝试的方法。当然，在进行相关尝试时，必须首先考虑聚羧酸系减水剂与其他外加剂组分的适应性，确保它们能够‘相容’和‘相溶’，或者至少要‘相容’。”孙振平说。

“低碳”成重要发展方向

随着社会的发展，人们对混凝土材料的节资、利废、节能、减排和低碳提出更高要求。同时，聚羧酸系减水剂的生产与应用对混凝土行业减排和低碳作出的重大贡献也受到专家们的赞赏。

聚羧酸系减水剂制备产生的碳排放量较低，相对于其在混凝土中的有效应用对混凝土所产生的减排效应来说，甚至可以忽略不计。孙振平提出，每吨硅酸盐水泥从原材料开采，到生料处理，再到熟料煅烧和产品粉磨，大约产生0.85吨二氧化碳。我国作为世界上最大的水泥生产国，水泥工业节能减排的任务在近年已到了刻不容缓的境地。为降低水泥工业的能耗，减少碳排放，水泥混合材使用及助磨剂使用已经达到了相当高的水平。而且，混凝土能耗和碳排放还取决于单位立方米混凝土中水泥的用量，以及水泥的强度贡献率。在这种需求情况下，混凝土掺和料和混凝土减水剂的重要作用不容忽视。而由各种固废直接或略微加工后形成的矿物掺合料，对聚羧酸系减水剂的分散作用有着举足轻重的影响。

聚羧酸系减水剂应用过程中，不仅要考虑对水泥颗粒的吸附和分散，还要考虑包括粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉、尾矿（铁尾矿、铜尾矿、锂尾矿、煤矸石等）粉对聚羧酸系减水剂的吸附作用，可能有些掺和料的吸附量低于水泥矿物，但煅烧煤矸石粉和劣质粉煤灰对聚羧酸系减水剂的吸附量惊人。而碱—激发胶凝材料、低碳水泥（如LC3水泥）的发展，则可能会让聚羧酸系减水剂的应用面临更尴尬的境地，因为偏高岭土、低温煅烧黏土等的特殊结构，使它们对聚羧酸系减水剂的吸附量更大，很容易导致聚羧酸系减水剂对混凝土分散效果急剧变差的局面。

“在国家强调建筑行业节能减排、绿色、智能化的大背景下，混凝土行业对聚羧酸系减水剂提出的挑战是难点，也是机遇。正是因为聚羧酸系减水剂强大的分子结构可设计性，其先天具有解决相关问题的优势，这些挑战或将成为从业者的内生动力，推动行业进一步发展。” 孙振平认为，未来聚羧酸系减水剂的主要发展方向之一是满足低碳的情况下，解决其与混凝土拌和物中物料间适应性的问题。为解决该类问题，可从聚羧酸系减水剂的分子结构入手对其进行改性，也可通过与其他种类外加剂复掺来改善该类问题，但目前此类方案并不成熟，依旧需要科研工作者及实践者的深入研究。

本文原载于《中国建材报》12月12日2版

中国建材报记者：吴跃

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