HPWR聚羧酸系高性能减水剂的现状与发展方向探讨

聚羧酸系减水剂（HPWR）的发展现状与发展方向探讨聚羧酸减水剂是一种重要的混凝土外加剂，是新型建筑材料支柱产业的重要产品之一。自上世纪80年代起，国外就开始着手研发聚羧酸系减水剂。它以石油化工产品为原料，以极高的减水率，极好的坍落度保持性和优异的增强效应，逐渐受到混凝土工程界的亲睐。

聚羧酸减水剂研究的最终目标是通过不饱和单体在引发剂作用下共聚，将带活性基团的侧链接枝到聚合物的主链上，使其同时具有高效减水、控制坍落度损失和抗收缩、不影响水泥的凝结硬化等作用。本文将概述国内外聚羧酸减水剂的研究和发展状况，探讨聚羧酸减水剂结构与性能之间的关系及其作用机理的研究成果，并分析聚羧酸减水剂研究中存在和亟待解决的一些问题，希望对我国从事聚羧酸系减水剂研究、应用的同行有所启发。

1聚羧酸系减水剂的发展

1.1国外情况

国外学者一开始通过所合成的反应性活性高分子作为混凝土坍落度损失控制剂，后来才真正意义上做到在分散水泥的作用机理上设计出各种最有效的分子结构，使外加剂的减水分散效果、流动性保持效果得以大大提高。1986年日本专家首先研制成功聚羧酸系减水剂，9 0年代中期正式工业化生产，并开始在建筑施工中应用。该类减水剂大体分为烯烃/顺丁烯二酸酐聚合物和丙烯酸/甲基丙烯酸脂聚合物等。据报道，1995年后聚羧酸系减水剂在日本的使用量就已超过了萘系减水剂，且其品种、型号及品牌名目繁多。尤其是近年来大量高强度、高流动性混凝土的应用带动了聚羧酸系减水剂的技术发展和应用水平。目前日本生产聚羧酸系减水剂的厂家主要有花王、竹木油脂、NMB株式会社和藤泽药品等，每年利用此类减水剂生产的各类混凝土为1000万m3左右，并有逐年递增的发展趋势。与此同时，其它国家对聚羧酸系减水剂的研究与应用也逐渐加强.虽然日本是研发应用聚羧酸系减水剂最早也是最为成功的国家，但目前北美和欧洲也十分重视对聚羧酸系减水剂的研究。

从最近的文献可知，聚羧酸系减水剂的研究已由第一代甲基丙烯酸/烯酸甲酯共聚物，到第二代丙烯基醚共聚物，又发展到第三代酰胺/酰亚胺型，而且专家们正在着手研发第四代聚酰胺-聚乙烯乙二醇支链的新型高效减水剂。

1.2国内情况

国内最早研制应用聚羧酸系高性能减水剂的是上海市建筑科学研究院，其聚羧酸系减水剂LEX－9已成功地应用于上海磁悬浮列车轨道梁工程、东海大桥和杭州湾大桥等工程。

由于国内近年来对聚羧酸系减水剂的研究有所重视，这方面的研究论文有所增加。清华大学土木工程系2000年起就开始进行聚羧酸系高性能减水剂合成方法的系列试验研究；其他如华南理工大学、华东理工大学、大连理工大学、同济大学、复旦大学、山东建筑工程学

院、南昌大学环境与化学工程学院、中国建筑材料科学研究院、江苏省建筑科学研究院近年来也相继开展了聚羧酸系高性能减水剂结构、机理、制备、性能评价与应用的探索研究，取得一定成绩。

在应用上,同济大学孙振平等人把聚羧酸减水剂应用在钢管混凝土桥拱的施工中,其所用的倒灌顶升泵送施工是一种新方法。他们针对上海赵家沟主桥桥型特点和对混凝土性能的要求,利用经特殊改性的聚羧酸系减水剂,配制了坍落度可保持8h不损失的补偿收缩自密实混凝土。采用这种高性能混凝土,避免了钢管拱内混凝土的沉降和混凝土硬化体与管壁间的空隙，施工效果良好。

华南理工大学材料科学与工程学院对比研究了聚羧酸型高效减水剂和萘系高效减水剂配制的混凝土工作性能和强度性能。结果表明,聚羧酸型减水剂的减水率远高于萘系减水剂,用聚羧酸型减水剂配制的混凝土坍落度损失较小,而且对混凝土强度无不良影响。在配制低水灰比混凝土时,宜选用聚羧酸型减水剂。

上海市建筑科学研究院研究了聚羧酸高性能减水剂的性能及在混凝土中的应用。经实验证实,聚羧酸系高性能减水剂可以用来配制C30～C80商品泵送混凝土、80小时超缓凝商品泵送混凝土和具有高耐久性的海工混凝土。并且研究了掺有聚羧酸高性能混凝土减水剂的大掺量复合掺合材料混凝土和高强高性能混凝土的性能,尤其反映了其收缩与徐变变化规律。

目前，江苏省建筑科学研究院、中国建筑科学研究院等单位均相继研制成功并投产聚羧酸系减水剂。为控制聚羧酸系减水剂的产品质量，由中国建筑科学研究院主持，众多单位参与制订的聚羧酸系高性能减水剂产品标准，也即将发布实施。

2聚羧酸系减水剂的特性

聚羧酸系高性能减水剂是一种性能独特、无污染的新型高效减水剂，是配制高性能混凝土理想的外加剂。聚羧酸系减水剂的分子通式如图1。

图1聚羧酸系减水剂分子结构示意图

与其它高效减水剂相比，聚羧酸系减水剂的分子结构主要有以下几个突出的特点：

l)分子结构呈梳形，主链上带有较多的活性基团，并且极性较强。这些基团有磺酸基团(-SO3H)，羧酸基团(-COOH)，羟基基团(-OH)，聚氧烷基烯基团(-(CH2CH2O)m-R)等。各基团对水泥浆体的作用是不相同的，如磺酸基的分散性好；羧酸基除有较好的分散性外，还有缓凝效果；羟基不仅具有缓凝作用，还能起到浸透润湿的作用；聚氧烷基类基团具有保持流动性的作用。

2)侧链带有亲水性的活性基团，并且链较长，其吸附形态主要为梳形柔性吸附，可形成网状结构，具有较高的立体位阻效应，再加上羧基产生的静电排斥作用，可表现出较大的立体斥力效应。

3)分子结构自由度相当大，外加剂合成时可控制的参数多，高性能化的潜力大。通过控制主链的聚合度、侧链(长度、类型)、官能团(种类、数量及位置)、分子量大小及分布等参数可对其进行分子结构设计，研制生产出能更好地解决混凝土减水增强、引气、缓凝、保水等问题的外加剂产品。

由于上述独特的结构，聚羧酸系减水剂表现出一系列非常优异的性能，特别是掺量低，分散性高。其减水率高达30%以上，采用很小的掺量(0.2%-0.5%)就可以赋予混凝土较高的流动性。总体来说,聚羧酸系减水剂与其它种类的高效减水剂相比，在性能和生产方面具有以下优点：

1)掺量小，减水效果好。

2)坍落度保持性好。掺加一般的聚羧酸系减水剂，混凝土坍落度可保持两个小时甚至更长时间基本不损失；

3)对水泥凝结时间影响较小。以萘系、密胺系减水剂为主复配而成的泵送剂一般复合有缓凝剂，而采用聚羧酸系减水剂作为泵送剂一般不需要复配缓凝剂，便可直接使用。

4)与水泥的适应性较好。

5)增强效果潜力大。

6)低收缩，一定的引气量。

7)总碱含量低。

8)掺加聚羧酸系减水剂，可增加矿渣粉或粉煤灰代替水泥的百分比，从而提高混凝土绿色化水平。

9)聚羧酸系减水剂主链合成的原料来源较广，单体通常有丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、(甲基)丙烯酸乙醋、乙酸乙烯醋和烯丙基磺酸钠等；

10)聚羧酸系减水剂的分子结构自由度大，生产工艺方面可控制的参数多，高性能化的潜力大；