谈聚羧酸高效减水剂对混凝土耐久性的影响

1 引言

在混凝土、砂浆和净浆的制备过程中，掺入少量的（不超水泥用量的5％）能对混凝土、砂浆或净浆性能改变的一种产品称为混凝土外加剂。在混凝土中加入适量的外加剂，能提高混凝土质量，改善混凝土工作性能，减少混凝土用水量，节约水泥，降低成本，加快施工进度。随着技术的进步，外加剂已成为除水泥、粗细骨料、掺合料和水以外的一种必备材料，称之为第五元素，掺外加剂是混凝土配合比优化设计和提高混凝土耐久性的一项重要措施。
  硬化混凝土的耐久性包括抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐腐蚀性、抗氯盐腐蚀性、钢筋锈蚀、钢筋—混凝土粘结强度等几个方面。通常，适度引气、水灰比低的硬化混凝土在严酷环境条件下的耐久件良好。掺用聚羧酸高效减水剂可起到适度引气、降低水灰比的作用，所以掺入聚羧酸高效减水剂可提高硬化混凝土耐久性，至少可以说，高效减水剂的掺入不会对耐久性产生不利影响。

2 聚羧酸高效减水剂概述

  聚羧酸高效减水剂是以带有羧基、磺酸基、羟基、聚氧化烯基链节等活性基团的不饱和可聚合单体为原料，经直接共聚法、聚合后功能化法或原位聚合与接枝法制得的一些全新的高性能分散剂，在混凝土中称之为减水剂。该类减水剂特有的梳形分子结构赋予其低掺量、高减水、保水及增强效果好等特点。此外，还可以通过“分子结构设计”的灵活性、控制合成工艺参数等手段，调整其分子结构，分子量及其分布，从而实现高性能化。因此，该类减水剂已成为高效减水剂的研究热点和重点之一，并代表着当今高效减水剂的发展趋势。
  聚羧酸高效减水剂的优点：（1）掺量低而分散性能好，通常在胶凝材料用量的0.2%~0.5%的掺量下，混凝土减水率可达30%以上，且不离析，不泌水。（2）保坍落度性能好，混凝土90~120min内坍落度基本无损失；符合现代泵送混凝土的发展趋势。（3）与水泥、掺合料及其他外加剂的相容性好，应用就自如许多。（4）可有效地提高用于替代水泥的粉煤灰、磨细矿渣等掺合料的掺量，从而降低混凝土成本。（5）可根据不同设计要求，用于配制普通、高强、超高强、高流动性、早强、大体积混凝土等。（6）制备过程中不使用甲醛，因而不会对人体和环境造成污染。

3 聚羧酸高效减水剂对混凝土耐久性的影响分析

3.1 抗渗性
  混凝土的抗渗性与其孔隙率及孔结构有关。混凝土内孔隙按孔径大小大致可分为＜4~5nm、5~50nm、50~100nm及＞100nm四级。若孔径大于50nm的孔隙体积分数增大，则会对混凝土强度和抗渗性带来不利影响；若孔径小于50nm的孔隙体积分数增大，混凝土强度和抗渗性、耐腐蚀性等均有提高。同时，当混凝土掺入聚羧酸高效减水剂后，将导致混凝土的水灰比降低，孔结构得以改善，这样可以有利于增加混凝土内部结构的密实度，减少泌水通道，从而有效地提高混凝土的抗渗性能。
3.2 抗冻融性
  聚羧酸高效减水剂对混凝土抗冻融性的影响与普通减水剂类似。当混凝土中掺入非引气型聚羧酸高效减水剂时，减水剂的高效减水作用可有效地使得混凝土的水灰比显著降低，同时鉴于混凝土结构中可冻结的游离水减少，使得混凝土抗渗性提高，从而有利于提高抗冻融性。这主要是由于当混凝土掺入引气型聚羧酸高效减水剂或掺入非引气型聚羧酸高效减水剂与适量引气剂时，由于所掺外加剂的引气作用，混凝土体系中会引入一定量的独立、微小、稳定的气泡，可有效地缓解冻结和过冷水迁移所产生的膨胀压力集中，从而显著提高混凝土的抗冻融性能。
3.3 抗硫酸盐、氯盐腐蚀性
  通过工程试验研究发现，掺入聚羧酸高效减水剂混凝土的抗硫酸盐、氯盐腐蚀性与普通外加剂混凝土无明显差异。虽然聚羧酸高效减水剂中会含有一定量的硫酸盐，通常折固含量小于10%，在推荐范围内不会影响硬化混凝土的抗冻融性。正常情况下聚羧酸高效减水剂掺入对钢筋混凝土中的钢筋无锈蚀作用。
3.4 钢筋-混凝土粘结强度
  对于普通混凝土和轻质混凝土，聚羧酸高效减水剂掺入可增强钢筋-混凝土的粘结强度。有资料显示：对于普通混凝土，若用平圆钢，则聚羧酸高效减水剂掺入可使7d龄期混凝土的钢筋-混凝土粘结强度从1.2MPa增加到3.5MPa；若用螺纹钢，则粘结强度从15.0 MPa增加到27.5 MPa。

4 工程应用技术

  鉴于在混凝土中通过掺入聚羧酸高效减水剂，可以在低水灰比条件下显著改善混凝土的工作性；也可以在工作性基本相同的条件下，大大减少混凝土拌合用水量，有效地降低水灰比，提高混凝土自身强度；还可以在达到相同混凝土强度的条件下，提高掺合料的用量，降低混凝土的成本。所以，通过掺用聚羧酸高效减水剂可制备各种高强、高性能混凝土。而通过工程实践表明，目前通过掺入聚羧酸高效减水剂可制备以下的混凝土产品，使其在混凝土工程中的应用广泛。
  （1）预应力或预制混凝土。掺入聚羧酸高效减水剂可使得预制混凝土的抗压强度在8~18h达到40MPa等级；掺入聚羧酸高效减水剂的预制混凝土可在更低的养护温度和更短的养护时间条件下，得到更高的早期强度，从而减少促凝养护能耗；此外，还抗压节约水泥，减小振捣能耗，减少噪音，提高模具的周转率。
  （2）补偿收缩混凝土。制备补偿收缩混凝土时，掺入一定量的聚羧酸高效减水剂，可降低水灰比，增加混凝土早期收缩，减少混凝土的后期收缩，从而节约膨胀剂或膨胀水泥。
  （3）对于普通骨料混凝土，掺入聚羧酸高效减水剂可减小泵送压力和管压30%左右；对于轻骨料混凝土，掺入聚羧酸高效减水剂可减小泵送压力和管压10%以上；此外，掺入聚羧酸高效减水剂可减小泵送阻力随泵送速度增大而增加的幅度。
  （4）钢纤维增强混凝土。对于钢纤维增强混凝土，掺入聚羧酸高效减水剂可减小由于钢纤维掺入而引起的工作性损失；当然，与不掺钢纤维的混凝土相比，要得到相同的工作性，掺钢纤维混凝土的聚羧酸高效减水剂掺量需适当增加。
  （5）超高强混凝土。聚羧酸高效减水剂的减水分散、增强效果好，所以可用于制备超高强混凝土。研究发现，混凝土中掺用占胶凝材料重量1%~3%的聚羧酸高效减水剂（以20%计），可使100d龄期强度高达150MPa。
  （6）高铝水泥混凝土。为保证高铝水泥混凝土的性能，一般水灰比不高于0.40，水泥用量不低于400kg/m³，否则混凝土的强度，尤其是后期强度将会降低，其原因是亚稳态的铝酸钙水合物转化为稳态的铝酸三钙水合物。如果在高铝水泥混凝土中掺入聚羧酸高效减水剂，就可以在较低水灰比的条件下，制得工作性良好的流态混凝土，而且不影响混凝土的后期强度。也即掺入聚羧酸高效减水剂的高铝水泥超塑性混凝土的2d龄期抗压强度低于基准混凝土，而180d龄期的抗压强度于基准混凝土基本相当、其原因是聚羧酸高效减水剂对高铝水泥的水化速度无明显影响。
  （7）粉煤灰、矿渣、硅灰等活性掺合料掺量较高的高性能混凝土。当以大量粉煤灰代替普通水泥制备高强混凝土时，掺入聚羧酸高效减水剂可改善工作性，减少拌合用水量约20％，同时可进一步提高强度。混凝土中掺入聚羧酸高效减水剂，可在保证工作性的前提下，增大粉煤灰或矿渣等水泥基替代材料的掺量，减少水泥用量，同时不影响混凝土的强度，因此具有突出的环境和经济效益。同样，当水泥浆或混凝土中掺用硅灰时，达到相同工作性所需的拌合用水量随硅灰掺量的增大而增大。为此，可在硅灰掺量一定的条件下，掺入聚羧酸高效减水剂，减少拌合用水量；亦可在拌合用水量一定的条件下，掺入聚羧酸高效减水剂来增大硅灰掺量。

5 结语

  本文作者结合自己从事混凝土减水剂研究的相关工作经验，对聚羧酸高效减水剂的结构特点进行了详细分析，针对聚羧酸高效减水剂对混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐腐蚀性、抗氯盐腐蚀性、钢筋锈蚀、钢筋-混凝土粘结强度等耐久性的影响进行了全面分析。分析结果表明，掺用聚羧酸高效减水剂可起到适度引气、降低水灰比的作用。所以掺入聚羧酸高效减水剂可提高硬化混凝土耐久性，至少可以说，聚羧酸高效减水剂的掺入不会对耐久性产生不利影响，因而聚羧酸高效减水剂的发展前景广阔。