減水劑分子中含有極性的親水官能團(tuán)和非極性的憎水部分。高性能減水劑分子結(jié)構(gòu)中，一 SO 3 H 或一 COOH 要么二者必具其一，要么兼而有之，被認(rèn)為是混凝土減水劑的主導(dǎo)官能團(tuán)。根據(jù)主導(dǎo)官能團(tuán)類(lèi)別，將高性能減水劑分為：磺酸、羧酸、“磺酸 - 羧酸”三類(lèi)。一 SO 3 H 官能團(tuán)對(duì)水泥起分散作用；一 COOH 官能團(tuán)對(duì)水泥起緩凝作用，并抑制混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失；同時(shí)含有一 SO 3 H 和一 COOH 官能團(tuán)的高性能 減水劑，則既具有高減水率又具有坍落度經(jīng)時(shí)保持功能。
1 高性能減水劑的作用機(jī)理
1.1 空間位阻學(xué)說(shuō)
該學(xué)說(shuō)以熵效應(yīng)理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為空間位阻作用取決于減水劑的分子結(jié)構(gòu)和吸附形態(tài)或者吸附層厚度等。聚羧酸高效減水劑的分子結(jié)構(gòu)呈梳形，特點(diǎn)是：主鏈上帶多個(gè)活性基團(tuán)且極性較強(qiáng)；側(cè)鏈帶有親水的活性基團(tuán)，且鏈較長(zhǎng)、數(shù)量多；疏水基團(tuán)的分子鏈段較短，數(shù)量也少。研究表明，加入聚羧酸減水劑后，水泥顆粒的動(dòng)電位要比加入萘系減水劑低得多。
1.2 濕潤(rùn)作用
水泥加水拌和后，顆粒表面被水濕潤(rùn)，而濕潤(rùn)的狀況對(duì)新拌混凝土的性能影響很大。當(dāng)這類(lèi)擴(kuò)散自然進(jìn)行時(shí)，可由吉布斯方程計(jì)算出表面自由能減少的量。
假如整個(gè)體系中某一瞬時(shí)自由能為定值時(shí)，則 σ cw 與 S 成反比。因此，若摻入使整個(gè)體系界面張力降低的表面活性劑 ( 如減水劑 ) ，不但能使水泥顆粒有效地分散，而且由于濕潤(rùn)作用，使水泥顆粒水化面積增大，影響水泥的水化速度。
另外，與濕潤(rùn)有關(guān)的是水分向水泥毛細(xì)管滲透的問(wèn)題。滲透作用越強(qiáng)，水泥顆粒水化越快。水分向顆粒內(nèi)部毛細(xì)管的滲透，取決于溶液的毛細(xì)管壓力。
1.3 潤(rùn)滑作用
減水劑離解后的極性親水基團(tuán)定向吸附于水泥顆粒表面，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(yuǎn)大于該分子與水泥顆粒間的分子引力。當(dāng)水泥顆粒吸附足夠的減水劑后，借助于極性親水基團(tuán)與水分子中氫鍵的締合作用，再加上水分子間的氫鍵締合，使水泥顆粒間形成一層穩(wěn)定的溶劑化水膜，阻止了水泥顆粒間的直接接觸，并在顆粒間起潤(rùn)滑作用。另一方面，摻入減水劑后，將引入一定量的微細(xì)氣泡，它們被減水劑定向吸附的分子膜包圍，并與水泥質(zhì)點(diǎn)吸附膜帶有相同符號(hào)的電荷，氣泡與水泥顆粒間的電性斥力使得水泥顆粒分散從而增加了水泥顆粒間的滑動(dòng)能力，如同滾珠軸承一樣。
2 高性能減水劑與水泥、混合材的相互作用
高性能減水劑多為表面活性劑。不同的表面活性劑因其分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)水泥水化所產(chǎn)生的影響也不同。例如：羥基類(lèi)化合物中的醇類(lèi)同系物，隨著羥基數(shù)的增多，它們對(duì)水泥的緩凝作用越來(lái)越強(qiáng)；羧酸在水泥漿體系中，隨著生成不溶性的鹽類(lèi) ( 如鈣鹽 ) ，使水泥水化速度減慢，而某些羧酸鹽則對(duì)水泥水化硬化具有促進(jìn)作用 ( 如甲酸鈣等 ) ，同時(shí)隨著烷基的增大，羧酸及羧酸鹽的表面活性作用、憎水作用增強(qiáng)；羥基羧酸、氨基羧酸及其鹽類(lèi)能顯著抑制水泥的初期水化，有效地提高新拌混凝土的塑性和混凝土后期強(qiáng)度；磺酸鹽類(lèi)的陰離子表面活性劑，易被水泥顆粒吸附，可對(duì)水泥產(chǎn)生分散、緩凝作用。若將兩種以上表面活性劑復(fù)合使用，則對(duì)水泥的作用效果會(huì)更好。
2.1 減水劑與水泥、混合材的適應(yīng)性
理論上，所有滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)、具有相同水化硬化特性的水泥在摻入相同的超塑化劑時(shí)，所表現(xiàn)出的流變特性是相同的。然而試驗(yàn)表明，這種理論并不一定是非常準(zhǔn)確的，尤其是當(dāng)混凝土的水膠比在 0.3~0.4 時(shí)更是如此。
水泥和磺酸鹽聚合物之間的相互作用非常復(fù)雜，且受水泥的物理特性、化學(xué)特性、水泥顆粒的形態(tài)、水泥中可溶堿的數(shù)量、水泥中混合材的品種與用量、超塑化劑的特性和形態(tài)、外加劑摻加方法等影響。
水泥中石膏形態(tài)對(duì)減水劑使用效果的影響與水泥中 C 3 A 含量有關(guān)，當(dāng) C 3 A 含量高時(shí)影響較大，反之則小。影響水泥和含木質(zhì)素磺酸鹽的超塑化劑復(fù)合物流變性的關(guān)鍵參數(shù)是帶正電的空隙相活動(dòng)區(qū)的數(shù)量和快速可溶的 SO 量之間的平衡，當(dāng) SO 離子濃度過(guò)低時(shí)，大量木質(zhì)素磺化鹽分子消失，與 C 3 A 相結(jié)合，水泥和超塑化劑的適應(yīng)性取決于這種“不足”，當(dāng)“不足”增大時(shí)，復(fù)合物的適應(yīng)性就會(huì)變得越來(lái)越差。
此外，在配制對(duì)坍落度經(jīng)時(shí)損失有嚴(yán)格要求的混凝土?xí)r，選用的水泥含堿量不宜過(guò)高，因?yàn)楹瑝A量高的水泥，凝結(jié)時(shí)間較短。同時(shí)，水泥中 SO 3 與 C 3 A 的比例含量應(yīng)適宜 ( 見(jiàn)圖 1) 。
在配制混凝土?xí)r，常摻入粉煤灰、磨細(xì)礦渣、石灰石粉，它們對(duì)外加劑的吸附量比水泥低，其中前兩種外摻料還具有一定的減水及降低混凝土坍落度損失的作用 ( 粉煤灰等活性材料含碳量較高時(shí)的情況除外 ) 。有時(shí)，為提高混凝土強(qiáng)度和耐磨、抗?jié)B等性能，還摻用適量的硅灰，因其比表面積大以致需水量比遠(yuǎn)大于 100 ％，必須提高外加劑摻量才能保證混凝土具有足夠的流動(dòng)性。
圖 1 外加劑對(duì)水泥的適應(yīng)性與水泥組成的關(guān)系
2 ． 2 控制混凝土坍落度損失的技術(shù)途徑
(1) 減水劑摻量應(yīng)略高于其飽和點(diǎn)摻量，適量引氣。 (2) 視水泥品種情況 ( 盡可能選用含堿量較低的水泥 ) ，合理使用保塑材料和調(diào)凝材料。 (3) 必要時(shí)摻用保水劑，減小泌水，改善混凝土工作性。
混凝土材料的工程應(yīng)用是一個(gè)系統(tǒng)工程，遵循“按性能設(shè)計(jì)”的要求，在充分滿(mǎn)足新拌混凝土的工作性、混凝土凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度和耐久性的基礎(chǔ)上，針對(duì)水泥性狀，制定外加劑配制方案。通常，可考慮下列三種組合：
(1) 減水劑 + 調(diào)凝劑 + 引氣劑。
(2) 減水劑 + 保水劑 + 調(diào)凝劑 + 引氣劑。
(3) 減水劑十保塑劑 + 調(diào)凝劑 + 引氣劑 保水劑。
3 可溶性硫酸鹽對(duì) PCA 性能的影響
聚羧酸系減水劑 (PCA) 是新一代高性能減水劑的代表產(chǎn)品，與萘系和三聚氰胺減水劑相比，梳形減水劑具有顯著的技術(shù)特點(diǎn)，可根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，在具有高效減水率的同時(shí)，具有大坍落度保持性能，且基本不改變混凝土凝結(jié)時(shí)間，具有比萘系和三聚氰胺減水劑更好的應(yīng)用性能。
理論上，常用的萘系高效減水劑可使水泥粒子間距分散到 1 0 ～ 20nm ，聚羧酸系減水劑則可使水泥粒子間距分散到 100nm ，但聚羧酸系減水劑的實(shí)際分散效能與理論值相差較大。在體系中含有可溶性硫酸鹽的條件下，萘系減水劑的分散效果會(huì)有所提高，而聚羧酸系減水劑則可能對(duì)水泥沒(méi)有分散作用，其機(jī)理是：水泥漿體中的硫酸根離子降低了水泥顆粒對(duì) PC 的吸附量，因?yàn)槿绻嘀械牧蛩猁}含量提高，聚羧酸減水劑和硫酸根離子對(duì)水泥表面的吸收是相互競(jìng)爭(zhēng)的，另一原因可能是當(dāng)水中含有大量的硫酸根離子時(shí)，可使聚羧酸外加劑中的 EO 鏈產(chǎn)生收縮，進(jìn)而減弱了 EO 鏈的立體位阻效應(yīng)。
在聚羧酸系減水劑中摻用抑制可溶性硫酸鹽的表面活性劑，可在一定程度上恢復(fù)聚羧酸系減水劑的空間位阻作用，補(bǔ)償可溶性硫酸鹽對(duì)聚羧酸系減水劑的空間位阻的阻礙。
在使用聚羧酸系減水劑時(shí)，應(yīng)事先了解水泥及礦物外加劑的含堿量，控制可溶性硫酸鹽含量。
