63 減水劑的作用原理是什么？

減水劑的功能是在不減少水泥用量的情況下，改善新拌砂漿的工作性能，提高砂漿的流動性；在保持一定工作性能下，減少水泥用水量，節約水泥；改善砂漿拌合物的可泵性以及砂漿的其他物理力學性能。當砂漿中摻入高效減水劑后，可以顯著降低水灰比，并且保持砂漿較好的流動性。通常而言，高效減水劑的減水率可達20％ （質量百分數，下同）左右，而普通減水劑的減水率為10％左右。目前，一般認為減水劑能夠產生減水作用主要是由減水劑的吸附和分散作用所致。

研究砂漿中水泥硬化過程可以發現，水泥在加水攪拌的過程中，由于水泥礦物中含有帶不同電荷的組分，而正負電荷的相互吸引將導致混凝土產生絮凝結構（圖1）。絮凝結構也可能是由于水泥顆粒在溶液中的熱運動致使其在某些邊棱角處互相碰撞、相互吸引而形成。

由于在絮凝結構中包裹著很多拌合水，因而無法提供較多的水用于水泥水化，所以降低了新拌混凝土的和易性。因此，在施工中為了使水泥能夠較好地水化，就必須在拌合時相應地增加用水量，但用水量的增加將導致水泥石結構中形成過多的孔隙，致使其物理力學性能下降。

加入減水劑就是將這些多余的水分釋放出來，使之用于水泥水化，因而可在不降低砂漿物理力學性能的條件下，減少拌合水用量。砂漿中摻入減水劑后，可在保持水灰比不變的情況下增加流動性。減水劑除了有吸附分散作用外，還有濕潤和潤滑作用。水泥加水拌合后，水泥顆粒表面被水所濕潤，而這種濕潤狀況對新拌混凝土的性能影響很大。濕潤作用不但能使水泥顆粒有效地分散，亦會增加水泥顆粒的水化面積，影響水泥的水化速率。

減水劑中的極性親水基團定向吸附于水泥顆粒表面上，它們很容易和水分子以氫鍵形式締合。這種氫鍵締合作用的作用力遠遠大于水分子與水泥顆粒間的分子引力。當水泥顆粒吸附足夠的減水劑分子后，借助于磺酸基團負離子與水分子中氫鍵的締合，再加成締合氫鍵，水泥顆粒表面便形成一層穩定的溶劑化水膜，這層膜起到了立體保護作用，阻止了水泥顆粒間的直接接觸，并在顆粒間起潤滑作用。

減水劑的加入，伴隨著引入一定量的微氣泡（即使是非引氣型的減水劑，也會引入少量氣泡），這些微細氣泡被因減水劑定向吸附而形成的分子膜所包圍，并帶有與水泥質點吸附膜相同符號的電荷，因而氣泡與水泥顆粒間產生電性斥力，從而增加了水泥顆粒間的滑動能力。由于減水劑的吸附分散作用、濕潤作用和潤滑作用，因而只要使用少量的水就能容易地將混凝土拌合均勻，從而改善了新拌混凝土的和易性。圖２為減水劑的減水作用示意圖。

圖２　減水劑的減水作用示意圖

影響減水劑減水作用的因素比較復雜，其中水泥組分中的鋁化物的含量對減水劑的影響最為顯著。鋁化物的水化產物一般為多孔晶體，其吸附能力強，而水化產物的吸附量越快越大，則減水劑的失效越快。就水泥熟料單礦物而言，其水化產物對普通減水劑的吸附量的大小順序如下：

Ｃ₃Ａ＞Ｃ₄ＡＦ＞Ｃ₃Ｓ＞Ｃ₂Ｓ

這也說明，鋁酸鹽含量高的水泥，砂漿的工作性能會損失得較快。

不同類型的減水劑對水泥的適應性也不一樣。一般而言，木質磺酸鹽類的減水劑對水泥的適應性較差，減水效果也不是很好，而且對水泥的緩凝效果明顯，這可能與木質磺酸鹽中所含的多糖有關；國內現在較好的減水劑多為三聚氰胺酯類、萘系、羧酸鹽類的減水劑。羧酸鹽類的減水劑對水泥的適應性最好，其坍落度的保持時間也較長，也是目前比較新型的減水劑，但國內沒有規模化生產的廠家。羧酸鹽類的減水劑與其他類型的減水劑相比較，其ξ電位下降得慢，砂漿的坍落度經時損失就小，如圖３和圖４所示。

在混凝土中加入高效減水劑會使混凝土的強度顯著提高。其機理主要有兩種：第一種機理通常認為是因為高效減水劑的減水率大，可以明顯降低混凝土的水灰比，所以能大幅度提高混凝土強度；第二種機理則認為加入高效減水劑能改善水泥顆粒的分散程度，從而可以提高其水化程度，增進其微結構的密實性，改善混凝土的力學性能。

現在為大家普遍接受的減水劑作用機理理論有三種，即靜電斥力理論、空間位阻效應理論和反應性高分子緩慢釋放理論。這里僅介紹前兩種常用的機理理論。

（１）靜電斥力理論

高效減水劑大多屬于陰離子型表面活性劑。由于水泥粒子在水化初期時其表面帶有正電荷（Ca²⁺）減水劑分子中的負離子—SO₃^2－和—COO^－就會吸附于水泥粒子上，形成吸附雙電層（ξ電位），使水泥粒子相互排斥，防止了凝聚的產生。電位絕對值越大，減水效果越好，這就是靜電斥力理論。該理論主要適用于萘系、三聚氰胺系及改性木鈣系等目前常用的高效減水劑系統。

根據DLVO理論，當水泥粒子因吸附減水劑而在其表面形成雙電層后，相互接近的水泥顆粒會同時受到粒子間的靜電斥力和范德華引力的作用。隨著ξ電位絕對值的增大，粒子間逐漸以斥力為主，從而防止了粒子間的凝聚。與此同時，靜電斥力還可以把水泥顆粒內部包裹的水釋放出來，使體系處于良好而穩定的分散狀態。隨著水化的進行，吸附在水泥顆粒表畫的高效減水劑的量減少，ξ電位絕對值隨之降低，體系不穩定，從而發生了凝聚。

（２）空間位阻效應理論

這一理論主要適用于正處于開發階段的新型高效減水劑——聚羧酸鹽系減水劑。該類減水劑結構呈梳形，主鏈上帶有多個活性基團，并且極性較強，側鏈也帶有親水性的活性基團。

對氨基磺酸鹽系和聚羧酸鹽系高效減水劑的對比研究發現：在水泥品種和水灰比均相同的條件下，當氨基磺酸鹽系和聚羧酸鹽系高效減水劑摻量相同時，水泥粒子對聚羧酸鹽系高效減水劑的吸附量以及摻聚羧酸鹽系高效減水劑水泥漿的流動性都大大高于摻氨基磺酸鹽系統的對應值，但摻聚羧酸鹽系統的ξ電位絕對值卻比摻氨基磺酸鹽系統的低得多，這與靜電斥力理論是矛盾的。這也證明聚羧酸鹽系發揮分散作用的主導因素并不是靜電斥力，而是由減水劑本身大分子鏈及其支鏈所引起的空間位阻效應。

研究表明，當具有大分子吸附層的球形粒子在相互靠近時，顆粒之間的范德華力是決定體系位能的主要因素。當水泥顆粒表面吸附層的厚度增加時，有利于水泥顆粒的分散。

聚羧酸鹽系減水劑分子中含有較多較長的支鏈，當它們吸附在水泥顆