聚羧酸减水剂超塑化剂作用研究状况概述

自减水剂问世以来,人们即对其作用机理进了大量的研究。聚羧酸系高性能减水剂在流动性保持方面比BNS和MS类超塑化剂表现出明显优势,暗示着有可能存在与以前超塑化剂不同的作用机理,也给机理研究提出了新的思路和要求。但是,水化中的水混颗粒吸附超塑化剂分子是一个复杂的过程,至今尚未有系统的、普适性的理论形成。但各国科学家在实验和理论两方面的努力还是形成了一些在一定范围内能够解释实验现象的理论。同时,也使影响超塑化剂性能的其他因素,如超塑化剂与水泥的相容性等问题浮出水面,近几年有关超塑化剂的研究中,相容性逐渐成为关注的焦点。

曾经有学者提出用官能团主导论来解释超塑化剂的作用机理。该理论对超塑化剂中涉及的官能团的作用进行了一一分析,比如认为一SOH主要显示高减水率(分散性),-COOH主要显示优良的缓凝保圳作用,羟基有缓凝作用,PEO有空间位阻作用等。但也有研究者认为主导官能团理论也许对磺化芳香族聚合物减水剂和丙烯酸类共聚物外加剂具有一定的指导作用,但对新型的聚羧酸系梳形超塑化剂的分子设计的指导意义十分有限,不能从根本上解决聚羧酸系梳形超塑化剂的分子化学结构、分子形态与超塑化剂性能之间的关系等分子设计的关键问题。根据笔者的文献调研,国外相关研究组都更倾向于基于分子间势能的计算,从分析超塑化剂的吸附引起粒子间作用力变化的角度,具体研究超塑化剂的作用机理。

水泥浆体是一种粗分散系的悬浮体,水泥颗粒的尺寸在1~50pm之间,比表面能很高,在热力学上是不稳定的,而且由于水泥浆体中分散相的浓度很高,粒子之间的距离很近,相互作用非常强。在未掺入减水剂时,在新拌水泥浆体内,由于颗粒之间的相互吸引,形成絮凝结构,这种结构内部包裹了大量的水分。掺入减水剂后,减水剂上的羧酸基团与水泥颗粒和水化产物表面的钙离子发生偶合,使减水剂分子吸附到水泥颗粒表面,改变了水泥颗粒表面的性质(如电性质、表面膜层厚度等),颗粒之间的斥力增大,间距增大,进而破环浆体内部的絮凝结构,释放出包裹水,实现“吸附一分散”过程。

关于颗粒间斥力的本质,在较早的研究中,一般认为静电斥力起主要作用。近来的很多研究表明,仅用基于静电力的DLVO理论很难解释梳形超塑化剂的分散作用,即吸附较高分散能力的聚羧酸系梳形超塑化剂的水泥粒子并没有很大的负电荷,其zeta电位低于以往减水剂所引起的电位。但也有研究者认为,聚羧酸系超塑化剂分子吸附到水泥颗粒表面后,使溶剂化层的厚度增加了,采用电泳的方法所测得的电位并非zeta电位而是与zeta电位相差很大的液相与溶剂化层之间的滑移面的电位,显然该电位要小于吸附BNS超塑化剂分子的电位。因此,静电斥力对于超塑化剂的分散能力的贡献还没有达成共识。尽管如此,位阻力的贡献随着大量实验事实和相关理论的提出而渐渐地被人们所接受。

空间稳定理论主要用来解释表面吸附有高聚物或者表面活性剂的颗粒之间的稳定性,是位阻斥力研究的理论基础。当表面吸附有高聚物的颗粒靠近到它们之间的距离小于两倍吸附层厚度时,就会产生体积限制效应(The Volume Restriction Effect)和渗透斥力效应(The Osmotic Repulsion Effect)。这一理论对应的结论是空间斥力应该随接枝长度和密度的增加而增加。Toyoharu近期提出了用修改的空间稳定理论模型来解释侧链长度和密度与分散性的关系,根据这一理论,应存在一个侧链长度和主链长度的最优平衡值,而过长的链往往会降低流动性。这合理地解释了Ohta1997年发表的实验结果对原有的空间稳定理论的质疑,对这一领域的理论完善有重要意义。

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