解決混凝土行業(yè)含泥量問題的創(chuàng)新技術(shù)“穩(wěn)態(tài)劑”
（2021云南昆明混凝土外加劑年會演講稿）
混凝土減水劑的應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，從第一代木質(zhì)素類減水劑（木鈣和木鈉）到到70年代萘系高性能減水劑出現(xiàn)，直至21世紀(jì)聚羧酸減水劑誕生，減水劑經(jīng)歷了三代歷史。2005年，蘇州弗克技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“弗克”）是中國本土最早合成生產(chǎn)聚羧酸減水劑的企業(yè)之一，之后聚羧酸減水劑技術(shù)在中國如雨后春筍般迅速發(fā)展，現(xiàn)在聚羧酸減水劑已經(jīng)成為混凝土減水劑行業(yè)的主流產(chǎn)品。最近幾年，聚羧酸減水劑在混凝土中的有效性受到了砂石材料含泥量的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。2021年，弗克又首次研發(fā)出了一種“穩(wěn)態(tài)劑”的創(chuàng)新技術(shù)，用來解決混凝土中的含泥量問題，并將混凝土和易性明顯提升了一個層次。
中國經(jīng)過幾十年的大規(guī)模土建的蓬勃發(fā)展，砂石等天然原材料的開采已經(jīng)過了高峰期，好品質(zhì)砂石材料變得越來越匱乏，“一砂難求”的現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重。合格的砂石材料礦產(chǎn)越來越少，天然砂成為建材行業(yè)的“奢侈品”，含泥含粉量高的劣質(zhì)山砂和機制砂有著一統(tǒng)天下的趨勢。用這種材料配制的混凝土保坍性、和易性都變得相當(dāng)差，無法滿足基本的混凝土質(zhì)量要求。僅僅通過傳統(tǒng)的聚羧酸減水劑和保坍型減水劑手段已經(jīng)無法解決問題。
外加劑是混凝土在砂、石、水泥和水之后的第五組份，其中減水劑是混凝土的核心技術(shù)。自從減水劑誕生以來，它一直決定了混凝土的性能指標(biāo)。但是這樣傳統(tǒng)技術(shù)，在最近被打破了，原因就是砂石材料的品質(zhì)明顯惡化。為了降低含泥含粉量，可將砂進行清洗，稱為“水洗砂”。由于環(huán)保要求，洗砂的水必須經(jīng)過回用處理，水處理要用絮凝劑，如聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁等等。這樣雖然砂看上去是洗干凈了，但殘留在水洗砂中的絮凝劑將使得混凝土工作性變差。由于含泥量高等問題造成減水劑失效，已經(jīng)成為混凝土行業(yè)的普遍現(xiàn)象，混凝土技術(shù)遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。
混凝土是基礎(chǔ)建設(shè)的基體材料，混凝土質(zhì)量關(guān)系到中國建設(shè)的百年大計，解決砂石材料差的問題迫在眉睫。弗克于2019年開始針對混凝土含泥量問題成立了課題組，專門研究“可以穩(wěn)定高含泥量混凝土工作性狀態(tài)的外加劑”。2021年初成功合成生產(chǎn)出原創(chuàng)產(chǎn)品，取名為“穩(wěn)態(tài)劑”，并為這一技術(shù)申請了發(fā)明專利和企業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)備案。這種新型外加劑在國外研究相對比較冷門，因為他們的基礎(chǔ)建設(shè)沒有中國那么強勁，砂石原材料的開采沒有中國那么快速而廣泛，砂石材料的品質(zhì)問題也相對沒有中國那么嚴(yán)峻。在缺乏國際參考文獻的情況下，弗克的研究是原創(chuàng)性的。
從原理上講，砂石材料中的泥、粉和絮凝劑都可以被稱為“吸附性物質(zhì)”，這些吸附性物質(zhì)對減水劑的吸附量特別大，造成減水劑在混凝土中失效。為了達到混凝土的初始工作性，減水劑的用量必須增加，讓混凝土中的吸附性物質(zhì)足夠吸附減水劑，然后多出來的減水劑才能對水泥漿的初始流動性起正常作用。但隨著時間的變化，吸附性物質(zhì)會進一步吸附減水劑，使得水泥漿中的減水劑濃度平衡被破壞，水泥漿流動度下降，混凝土失去工作性，發(fā)生坍落度損失快等現(xiàn)象。
穩(wěn)態(tài)劑技術(shù)是一種競爭性吸附的平衡原理設(shè)計，就是通過合成一種對吸附性物質(zhì)具有更強競爭性的選擇性吸附，從而有效降低吸附性物質(zhì)對減水劑的吸附，防止了減水劑在體系中的失效。為了防止減水劑失效，吸附性物質(zhì)的吸附能力越強，用穩(wěn)態(tài)劑來平衡吸附的需求量就越大。當(dāng)加入足夠量的穩(wěn)態(tài)劑后，減水劑就可以不被選擇性吸附，也就不會因此失效。當(dāng)控制了吸附性物質(zhì)對減水劑的吸附量后，只要正常的減水劑摻量就能滿足混凝土的工作性需求，這個量可以是比較小的。所以，使用了穩(wěn)態(tài)劑后，減水劑的用量就能明顯減少。這時如果不相應(yīng)減少減水劑用量，混凝土就會出現(xiàn)減水劑的過摻現(xiàn)象，即坍落度過大、泌水、離析、露石、扒底等，這些都不是優(yōu)質(zhì)混凝土應(yīng)有的和易性和均勻性表現(xiàn)。
穩(wěn)態(tài)劑的特點是抵抗吸附性物質(zhì)對減水劑的吸附，所以它的使用需要與減水劑進行合理配伍。一般在用穩(wěn)態(tài)劑的同時，要減少一定量的減水劑用量。因為穩(wěn)態(tài)劑的使用可以使原來會被吸附性物質(zhì)吸附的減水劑解放出來。吸附性物質(zhì)的吸附性越強，可吸附減水劑量越多，這時穩(wěn)態(tài)劑需要的用量就越大，之后減水劑被釋放量也越大。減水劑的用量相對不加穩(wěn)態(tài)劑時的用量會更加明顯地減少。實際應(yīng)用表明，對于吸附性很差的山砂，減水劑和穩(wěn)態(tài)劑的使用質(zhì)量比可以到1：7，穩(wěn)態(tài)劑用量遠大于減水劑。穩(wěn)態(tài)劑/減水劑的使用特點是，一方面增加穩(wěn)態(tài)劑用量，一方面又降低減水劑用量，這樣它們總計在混凝土中的用量增加不一定多，成本也提高不大。
穩(wěn)態(tài)劑的使用，使得原來具有大吸附量的不良砂石材料變得相對正常，砂石中的含泥含粉量將成為一種無害的填料存在于混凝土中，從而解決了當(dāng)前砂石材料礦產(chǎn)越來越稀缺、質(zhì)量越來越差的問題。2021年春節(jié)以來，弗克開展了“征集最差砂活動”，在混凝土攪拌站和基礎(chǔ)建設(shè)工程項目上，尋找質(zhì)量差的砂石材料，進行穩(wěn)態(tài)劑試用性研究。經(jīng)過幾十家攪拌站的送樣和試配，確定了穩(wěn)態(tài)劑的使用特點和問題混凝土的解決方案。現(xiàn)場應(yīng)用表明，穩(wěn)態(tài)劑可以解決絕大多數(shù)的砂石材料問題，穩(wěn)態(tài)劑用量取決于材料差的程度，材料越差，穩(wěn)態(tài)劑用量越大，效果越明顯。穩(wěn)態(tài)劑在混凝土中的作用不僅僅是保坍，還有其他一系列作用來提高混凝土的品質(zhì)，比如穩(wěn)態(tài)劑可以明顯提高混凝土的和易性和均勻性，防止大坍落度混凝土的離析、泌水、露石和扒底。對C60以上高強度混凝土，穩(wěn)態(tài)劑具有降低粘度的作用，有效提高了混凝土的可泵送性。穩(wěn)態(tài)劑是一種穩(wěn)定新拌高性能混凝土綜合狀態(tài)的新型外加劑，對混凝土技術(shù)提供了一個有效的手段。
隨著砂石材料問題的長期存在，穩(wěn)態(tài)劑將成為混凝土的一個新型的必要組份，為保證混凝土質(zhì)量將起著必不可少的重要作用。