混凝土外加剂的作用机理与水泥适应性及其影响因素和改善措施

混凝土外加剂的作用机理与水泥适应性及其影响因素和改善措施宁靖（深圳市福盈混凝土实业有限公司，广东深圳20151026）摘要：简要论述了混凝土外加剂与水泥的适应性及其影响因素和改善措施，可供混凝土试验员、混凝土生产与施工人员，以及工程管理、监理人员阅读参考。关键词：外加剂；作用机理；水泥；适应性；分析；改善措施一、外加剂的作用机理各种外加剂尽管成分不同，但均为表面活性剂，所以其减水作用机理相似。表面活性剂是具有显著改变(通常为降低)液体表面张力或二相间界面张力的物质，其分子由亲水基团和憎水基团二个部分组成。表面活性剂加入水溶液中后，其分子中的亲水基团指向溶液，憎水基团指向空气、固体或非极性液体并作定向排列，形成定向吸附膜而降低水的表面张力和二相间的界面张力，在液体中显示出表面活性作用。当水泥浆体中加入减水剂后，减水剂分子中的憎水基团定向吸附于水泥质点表面，亲水基团指向水溶液，在水泥颗粒表面形成单分子或多分子吸附膜，在电斥力作用下，使原来水泥加水后由于水泥颗粒间分子凝聚力等多种因素而形成的絮凝结构(图4—28)打开，把被束缚在絮凝结构中的游离水释放出来，这就是由减水剂分子吸附产生的分散作用。水泥加水后，水泥颗粒被水湿润，湿润愈好，在具有同样工作性能的情况下所需的拌和水量也就愈少，且水泥水化速度亦加快。当有表面活性剂存在时，降低了水的表面张力和水与水泥颗粒间的界面张力，这就使水泥颗粒易于湿润、利于水化。同时，减水剂分子定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向水溶液，使水泥颗粒表面的溶剂化层增厚，增加了水泥颗粒间的滑动能力，又起了润滑作用[图4—29(a)、(b)]。若是引气型减水剂，则润滑作用更为明显。二、外加剂的品种及作用(1)减水剂：又称塑化剂或分散剂。拌和混凝土时加入适量的减水剂可使水泥颗粒分散均匀，同时将水泥颗粒包裹的水分释放出来，从而能明显减少混凝土用水量。减水剂的作用是在保持混凝土配合比不变的情况下，改善其工作性，或在保持工作性不变的情况下减少用水量，提高混凝土强度或在保持强度不变时减少水泥用量，节约水泥，降低成本。同时，加入减水剂后混凝土更为均匀密实，改善一系列物理化学性能，如抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性等，提高了混凝土的耐久性。普通减水剂water-reducingadmixture，在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。高效减水剂superplasticizer，在混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少拌合用水量的外加剂。高性能减水剂highperformancewaterreducer，比高效减水剂具有更高减水率、更好坍落度保持性能、较小干燥收缩，且具有一定引气性能的减水剂。(2)缓凝剂：能延缓混凝土凝结硬化时间，便于施工，能使混凝土浆体水化速度减慢，延长水化放热过程，有利于大体积混凝土温度控制。缓凝剂会对混凝土l～3d早期强度有所降低，但对后期强度的正常发展并无影响。一般缓凝剂可使混凝土的初凝时间延长l～4h，但这对高温情况下大仓面混凝土施工是不够的。为了满足高温地区和高温季节大体积混凝土施工需要，国家“八五”科技攻关项目研究出了高温缓凝剂，这种缓凝剂能在气温为(35+2)℃、相对湿度为(60+5)％的条件下混凝土初凝时间为6～8h。(3)早强剂：是指能加速混凝土早期强度发展的外加剂。主要作用机理是加速水泥水化速度，加速水化产物的早期结晶和沉淀。主要功能是缩短混凝土施工养护期，加快施工进度，提高模板的周转率。主要适用于有早强要求的混凝土工程及低温、负温施工混凝土、有防冻要求的混凝土、预制构件、蒸汽养护等等。(4)引气剂：是一种表面活性物质，它能使混凝土在搅拌过程中从大气中引入大量均匀封闭的小气泡，使混凝土中含有一定量的空气。好的引气剂能引入混凝土中的气泡达l0亿个之多，孔径多为0.05～0.2mm，一般为不连续的封闭球形，分布均匀，稳定性好，这样能显著提高混凝土的抗冻性、耐久性同时还能改善混凝土和易性，特别是在人工骨料或天然砂颗粒较粗、级配较差以及在贫水泥混凝土中使用效果更好，改善混凝土的泌水和离析，减少混凝土渗透性，提高混凝土抗侵蚀能力。(5)膨胀剂：是指能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂，掺入膨胀剂的目的是补偿混凝土自身收缩、干缩和温度变形防止混凝土开裂，并提高混凝土的密实性和防水性能。目前建筑工程中膨胀剂的应用越来越多，如地下室底板和侧墙混凝土、钢管混凝土、超长结构混凝土、有防水要求的混凝土工程等等。(6)泵送剂：能改善混凝土拌和物泵送性能的外加剂称为泵送剂，所谓泵送性，是指混凝土拌和物具有能顺利通过输送管道、不阻塞、不离析、料塑性良好的性能。泵送剂是硫化剂中的一种，它除了能大大提高拌和物流动性以外，还能在60～180min时间内保持其流动性，剩余坍落度应不小于原始的55％。此外，它不是缓凝剂，缓凝时间不宜超过120min(特殊情况除外)。三、混凝土外加剂与水泥的适应性及其影响因素和改善措施1存在的问题对水泥制品和混凝土的性能提出了新的要求，采用水泥、砂子、碎石和水4组分制作的常用混凝土已不能满足材料性能和施工性能要求。在混凝土、砂浆和净浆的制备过程中，掺人少量的(不超水泥用量的5%)能对混凝土、砂浆或净浆改变性能的一种产品，称为混凝土外加剂。在混凝土中加入适量的外加剂，能提高混凝土质量，改善混凝土性能，减少混凝土用水量，节约水泥，降低成本，加快施工进度。随着技术的进步，外加剂已成为除水泥、粗细骨料、掺合料和水以外的第5种必备材料。掺外加剂是混凝土配合比优化设计和提高混凝土耐久性的一项重要措施。2.影响混凝土外加剂与水泥适应性的主要因素2.1水泥矿物组成的影响影响水泥适应性的主要是水泥矿物中的铝酸三钙（C3A）及硅酸三钙（C3S）的含量，试验分析水泥中C3A含量低而C3S含量高对外加剂适应好，而C3A含量越高，适应效果越差。2.2调凝剂的影响2.2.1调凝剂(石膏)的形态水泥常用调凝剂为石膏（硫酸钙），石膏又分为二水石膏（CaSO4•2H2O）（又称生石膏），半水石膏（CaSO4•1/2H2O）（又称熟石膏或烧石膏），硬石膏（CaSO4）（又称无水石膏或天然石膏）。根据有关标准，三种石膏都可作水泥调凝剂使用，而其中硬石膏溶解性能较差，一些外加剂如糖钙、木钙等与硬石膏同用，不但不能促进石膏溶解，反而会降低硬石膏的溶解度，使水泥因缺少调凝成份而产生速凝等异常凝结。2.2.2石膏的细度如石膏研磨细度不够，会影响石膏的溶解性，即使运用二水石膏也会产生速凝等现象。2.2.3石膏的用量在C3A含量偏高的水泥中，调凝剂仍按常规用量（3%～5%），无论选用何种石膏，混凝土凝结时间都会提前，这主要是水泥中C3A水化快，C3A含量增加，少量石膏不能满足它生成胶状钙矾石，从而影响了石膏的调凝效果。2.2.4石膏研磨温度水泥厂为了缩短熟料冷却时间，经常将温度还较高的熟料与石膏同磨，二水石膏在150℃高温下会脱水成为半水石膏，温度再高至160℃以上，半水石膏还会成为溶解性较差的硬石膏影响水泥的适应效果。2.3碱含量的影响(1)水泥中的碱主要来源于所用原材料，特别是石灰和粘土，当然这些碱相当一部分可以在水泥生产中挥发，但许多水泥厂为了节约能源，将挥发废气进行回收利用，这就使挥发的碱又沉淀下来，无形中使水泥含碱量增高。(2)减水剂用于高碱水泥，减水率会急剧下降。试验表明，减水剂用于高碱水泥，混凝土增强效果下降，体积稳定性不好。(3)缓凝剂的作用机理是能够吸附在水泥颗粒的表面，形成一层吸附膜，在一定时间内有效地阻止水泥水化，而大量的碱会破坏吸附膜，使水泥继续水化，失去了缓凝作用，如将缓凝剂用于有一定保塑要求的混凝土，则会加速坍落度损失，达不到保塑保坍效果。6水泥的存放时间及温度影响水泥出磨存放时间较短的水泥称为“新鲜水泥”，由于水泥存放时间短，水泥温度较高，水泥水化速度极快，会造成石膏脱水，影响水泥的正常凝结，加之由于水泥在研磨过程中产生电荷颗粒之间相互吸附，影响了减水剂的分散作用，增大了混凝土坍落度损失率。事实上，出磨水泥的时间越短，水泥颗粒间吸附、凝聚的能力越强，因而致使外加剂的适应性变差.2.1外加剂自身的因素外加剂的自身的原因主要有以下几个方面:(1)品种不同;(2)结构官能团的不同;(3)聚合度不同;(4)复配组分不同。这些影响回通过不同的方式会影响与水泥的适应性。而不同厂家生产出来的外加剂也会有很多差异,主要原因有:(1)生产制作工艺;(2)厂家制作过程的技术水平;(3)质量管理水平。因此,不同的厂家生产出来的产品必然有差异。2.4水泥细度的影响许多混凝土工程为了缩短工期，要求所用水泥有一定早强效果，而提高水泥细度是最有效的方法，水泥过细水化速度快，水化热高同时水泥比表面积的增加，更加降低了液相中残留外加剂溶度，增加了液体粘度，不能适应泵送，预拌混凝土要求。另外，过细水泥还会降低混凝土中的含气量，降低混凝土的抗渗、抗冻性能。2.5掺合料的影响根据国家标准，允许在水泥中掺入一定量的掺合料，常用掺合料有：粉煤灰、火山灰、煤矸石等，由于掺合料的性能不同，也会影响外加剂对水泥的适应性。为掺煤矸石普通水泥与未用掺合料水泥应用外加剂后的不同测试结果。虽然应用同一种高效缓凝减水剂，掺量也相同，掺煤矸石水泥混凝土的减水率只有标准水泥的一半，即使外加剂掺量增加0.5%，掺煤矸石水泥的减水率也没有标准水泥高，煤矸石影响水泥效果的主要原因是煤矸石的比表面积大，吸附能力较强，外加剂掺入后，大部分被它吸附，而占较大比例的水泥粒子得不到外加剂的吸附分散，从而影响了减水效果。2.6混凝土配合比的影响（1）施工配合比虽然是设计问题，但它也会影响外加剂对水泥的适应性，如泵送混凝土适当提高砂率可提高混凝土可泵送性，但砂率过高也会影响混凝土的保塑性能，增加混凝土坍落度的经时损失率。（2）实践证明，降低水灰比可以提高混凝土强度，而在较低水灰比条件下配制掺外加剂混凝土应有一最低用水量，这不但是保证混凝土有一定工作性，更重要的是保证水泥在水化时，石膏有足够的溶解用水，石膏在缺水时会大大影响溶解度，影响外加剂对水泥适应性。2.7外加剂品种的影响（1）外加剂中含钠盐过高对混凝土早期强度是有利的，但用于预拌混凝土中则会加快坍落度损失。（2）有些引气剂引气量过大，且气泡性能不好会影响混凝土体积稳定性。（3）有一些膨胀剂与减水剂同掺，特别是和铝酸三钙含量高的水泥一起使用，会降低减水率增加坍落度损失，甚至会造成速凝。2.8搅拌时间和搅拌速度的影响（1）混凝土的搅拌时间会影响混凝土中的含气量以及混凝土外加剂分散的匀质性，从而影响新拌混凝土的工作性。（2）如果搅拌速度过快，水泥颗粒表面形成的双电层膜受到剪切应力的破坏，影响对水泥的适应性。3外加剂与水泥适应性的改善措施长期以来，混凝土工作者在提高减水剂与水泥的适应性，从而控制混凝土坍落度损失方面进行了大量的研究工作，提出了各种改善外加剂与水泥适应性，控制混凝土坍落度损失的方法。3．1新型高性能减水剂的开发应用目前国内外广泛使用的高效减水剂主要为萘磺酸盐甲醛缩合物（萘系高效减水剂）和三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物（蜜胺树脂系高效减水剂），它们的减水率高，而且价格适中，但缺陷是与水泥适应性不太好，混凝土坍落度损失快。为了克服萘系高效减水剂和蜜胺树脂系高效减水剂的缺陷，国内外目前研究最多的是氨基磺酸盐系及聚羧酸盐系新型高效减水剂。这两种新型高效减水剂就可以很好地控制混凝土坍落度的损失。3.2外加剂的复合使用通过外加剂的复合使用，提高减水剂与水泥的适应性，从而控制混凝土的坍落度经时损失，这是目前普遍使用的一种简单而经济的方法。①在生产减水剂时把高效减水剂与缓凝剂或缓凝减水剂复合使用，主要通过缓凝作用抑制水泥的早期水化反应，从而减小混凝土坍落度的经时损失；②减水剂与引气剂复合使用，主要通过引入大量微小气泡，增大混凝土拌合物的流动性，同时增大粘聚性，减小混凝土的离析泌水；③减水剂与减水剂复合使用，通过“协同效应”和“超叠加效应”，提高减水剂与水泥的适应性。事实上，复合使用减水剂控制混凝土坍落度经时损失，不应局限于高效减