解決混凝土行業(yè)含泥量問題的創(chuàng)新技術“穩(wěn)態(tài)劑”
（2021云南昆明混凝土外加劑年會演講稿）
混凝土減水劑的應用始于20世紀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，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。自從減水劑誕生以來，它一直決定了混凝土的性能指標。但是這樣傳統(tǒng)技術，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，混凝土技術遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。
混凝土是基礎建設的基體材料，混凝土質(zhì)量關系到中國建設的百年大計，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”，并為這一技術申請了發(fā)明專利和企業(yè)質(zhì)量標準備案。這種新型外加劑在國外研究相對比較冷門，因為他們的基礎建設沒有中國那么強勁，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)劑技術是一種競爭性吸附的平衡原理設計，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建設工程項目上，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。