研究探索：混凝土多功能外加剂的研发及其应用探究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第6期
混凝土多功能外加剂的研发及其应用探究
贾雷，张德星，王海涛，徐锦富，王剑，刘阳，洪强，刘永辰
［摘要］本文主要针对传统聚羧酸减水剂应用中存在的适用性问题，通过聚羧酸特殊分子结构设计及特定酸醚比，预设减水剂分子量区间范围的聚合工艺，合成出多功能外加剂，其可快速、高效的分散混凝土中水泥和细砂颗粒，使混凝土中水泥颗粒更加分散，有效防止水泥颗粒团聚，降低混凝土拌合时的粘度，使混凝土体系更加密实，对混凝土早、后期强度有明显的提升效果，混凝土后期强度无倒缩现象，进而优化了各类混凝土的工作性能和力学性能。
［关键词］聚羧酸减水剂；混凝土；多功能；研发；应用探究
引言
作为最大宗的建筑结构材料，混凝土被广泛应用于工程建设中。砂是混凝土中主要原材料之一，我国为保护日益枯竭的天然砂资源，避免过度开采、滥采，影响生态以及江河防洪堤、航运和桥梁使用安全，天然砂资源越来越紧张，已逐渐被机制砂替代，2013年机制砂所占比重已达76%，天然砂的日益紧缺使得机制砂逐渐成为人们研究配制混凝土的焦点，机制砂在粒形特征、级配、石粉含量等物理性质方面有别于天然砂。不同产地的机制砂粒状、颗粒表面粗糙程度、石粉含量不同，与混凝土外加剂的适应性也有着较大差异，尤其是砂中的泥土和石粉含量对于外加剂影响较大。
水泥是当今世界最重要的建筑材料，其年产量已超过40亿吨。水泥混合材料如粉煤灰、高炉矿渣、火山灰、煅烧黏土等制备的硅酸盐水泥，可在一定程度上减少熟料用量，这样的水泥早期水化缓慢，早期强度较低，很多水泥厂通过使用助磨剂提高水泥粉磨细度，使水泥熟料磨得更细，尤其是增加了小于颗粒的含量来促进水泥水化早期强度的发展，助磨剂中的一些成分本身还可以促进水泥水化强度，从而影响聚羧酸减水剂在混凝土中的应用，影响混凝土的耐久性和后期强度，新的国家标准GB 1752023《通用硅酸盐水泥》已经在2024日开始实施。
聚羧酸减水剂由于其具有减水率高、掺量低、强度增长快、保坍性能优异、生产绿色环保、适应性好、分子结构可预设计等优点，已成为混凝土外加剂行业的研究重点。聚羧酸减水剂在混凝土中使用也存在一些常见的问题，在砂石料品质较差、含泥含粉量高的情况下，易出现混凝土离析泌水、抓底、和易性差、损失过大、外加剂比较敏感等现象，并对水泥适应性也有很大差异，这些因素严重影响了混凝土的工作性能。
在针对这个问题时，通常以聚羧酸减水剂复配葡萄糖酸钠、引气剂、保水剂等来抑制水泥的水化和改善混凝土的工作性能，改善混凝土的保坍能力，减少混凝土的坍损，但缓凝剂的加入不能根本上解决混凝土的保坍问题，过度地掺加反而使混凝土的凝结时间延长，早期强度降低，在使用机制砂时，尤其当材料波动较大时，还容易引起后滞泌水，从而影响混凝土的工作性能。
研发原理
根据减水剂的吸附—分散作用机理，结合混凝土原材料的特点，现代水泥生产工艺中水泥助磨剂与减水剂相容性、不同细度水泥水化机理的作用、各种砂对于减水剂的吸附性影响等因素，通过分子结构设计，以新型乙烯基醚类结构大单体为基础，通过常温引发体系，水溶液自由基聚合得到了一种具有低敏性、高分散性、抗泥抗吸附等特点的多功能混凝土外加剂。
多功能混凝土外加剂采用特殊分子结构设计，通过特定酸醚比，预设分子量区间范围的聚合工艺，获得一种具有特定分子量的、对水泥具有高分散性的聚羧酸外加剂，该结构更加稳定，对水泥颗粒具有良好的分散效果，做到了从分子结构上、设计原理上的创新。该高分散性聚羧酸混凝土外加剂可与普通聚羧酸减水剂或其他混凝土功能外加剂材料复配使用，能快速、高效地分散混凝土中水泥和细砂颗粒，使混凝土中水泥颗粒更加分散，防止水泥颗粒团聚，降低混凝土拌合时的粘度，使混凝土体系更加密实，对混凝土早、后期强度有明显的提升效果，混凝土后期强度无倒缩现象。
该外加剂具有良好的复配分散性、协同增效性，弥补了普通聚羧酸减水剂在混凝土中应用的某些不足，可有效降低减水剂掺量，改善材料对外加剂的吸附问题，改善使用机制砂出现后滞泌水、抓底现象，对于较粘的混凝土有明显的降粘分散效果，并且可有效改善混凝土的工作性。
其合成机理与传统聚羧酸减水剂合成思路不同，预设目标产物的分子结构，采用不同的分子设计思路，所得的聚羧酸共聚物有别于普通聚羧酸的主侧链结构，既保证了减水剂的空间位阻作用，又增加了减水剂在水泥表面的吸附量，持续保证了聚羧酸减水剂在混凝土中的有效浓度，从而达到高分散性、协同增效性。采用外加剂多级配思路与普通聚羧酸减水来复配使用，可明显改善混凝土的工作性能，同浓度的复配多功能外加剂与普通聚羧酸减水剂在同样试验材料、同条件下对比混凝土试验，多功能外加剂的适应性更好。
原料选择
2.1合成试验部分原料
EPEG3000，工业级；丙烯酸，分析纯；丙烯酸甲酯，分析纯；分子量调节剂，自制；引发剂：双氧水，27.5%；还原剂：VC，工业级；液碱，32%，工业级；去离子水，工业级，自制；自来水，工业级。
2.2测试试验部分原料
（1）水泥：天津冀东金隅水泥厂O42.5水泥，符合GB 1752023《通用硅酸盐水泥》要求。
（2）石子：粒径25mm连续级配碎石。
（3）砂：标准砂；河砂50%配机制砂50%，细度模数2.42.6，含粉、含泥量小于10%
（4）粉煤灰：天津电厂Ⅱ级灰。
（5）外加剂：合成多功能外加剂，自制。
（6）对比外加剂：天津市飞龙砼外加剂生产的传统JFL-2型聚羧酸减水剂母液，固含量40%
（7）水：自来水，工业级。
性能测试
合成研发试验以不同酸醚比、引发剂和调量剂，合成特定分子量的多功能混凝土外加剂，再以10%15%20%替代普通聚羧酸减水剂比例复配制得实施例样品与JFL-2型减水剂对比，水泥胶砂强度检测结果见表1，混凝土工作性能结果见表2。混凝土使用的细骨料为河砂与机制砂的混合砂。
图 1～5为使用该多功能外加剂的工程现场图。
经过大量实际搅拌站、管桩、装配式构件厂试验，多功能性聚羧酸混凝土外加剂可有效改善普通减水剂与水泥、机制砂存在适应性差的问题。通过合理试验可显著降低外加剂掺量，降低混凝土粘度，有效地增加混凝土的密实性，抗离析泌水，混凝土早、后期强度均明显提升，不会出现强度倒缩问题。
对水泥砂浆、混凝土的物理性能有很大改善，混凝土强度可明显提升。对水泥颗粒具有明显的分散效果，可有效降低混凝土拌合时的粘度，尤其是高强混凝土或材料较粘的混凝土掺高分散性聚羧酸混凝土外加剂可大幅提升混凝土的工作性和流动性。
结论
根据聚羧酸减水剂分子结构特点，针对现有的混凝土材料特点研发了一种混凝土多功能外加剂。该多功能外加剂适用范围广，对各类混凝土工作性能有很大改善，对水泥颗粒和机制砂具有明显的分散效果，可有效降低混凝土拌合时的粘度，尤其是高强度等级混凝土或材料较粘的混凝土，可大幅提升混凝土的工作性和流动性。该多功能外加剂适用性好、分散性好、抗离析泌水、泵送损失少。产品性能好、成本低、生产简单，常温可以合成，综合效益高，具有广阔的应用前景。
供稿人：贾雷，张德星等
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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【会议培训】
第十届全国建筑固废和尾矿泥浆处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
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预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
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[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
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建筑垃圾再生砂粉应用技术
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【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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