混凝土外加剂基础知识

混凝土混凝土外加剂基础知识混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入，用以改善混凝土性能的物质。掺量不大于水泥质量的5％(特殊情况除外)。外加剂的掺量虽小，但其技术经济效果却显著，因此，外加剂已成为混凝土的重要组成部分，被称为第五组分，获得愈来愈广泛的应用。一、外加剂的分类根据《混凝土外加剂的分类、命名与定义》(GB8075—87)的规定，混凝土外加剂按其主要功能分为四类：(1)改善混凝土拌合物流变性能的外加剂。包括各种减水剂、引气剂和泵送剂等。(2)调节混凝土凝结时间、硬化性能的外加剂。包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。(3)改善混凝土耐久性的外加剂。包括引气剂、防水剂和阻锈剂等。(4)改善混凝土其他性能的外加剂。包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、防水剂等。二、常用外加剂(一)减水剂减水剂是当前外加剂中品种最多、应用最广的一种，根据其功能分为：普通减水剂(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(在保持混凝土坍落度基本相同的条件下，能大幅度减少用水量的外加剂)；引气减水剂(兼有引气和减水功能的外加剂)；缓凝减水剂(兼有缓凝和减水功能的外加剂)；早强减水剂(兼有早强和减水功能的外加剂)。减水剂按其主要化学成分为：木质素磺酸盐系；多环芳香族磺酸盐系；水溶性树脂磺酸盐系；糖钙等。1．常用减水剂(1)木质素磺酸盐系减水剂这类减水剂根据其所带阳离子的不同，有木质素磺酸钙(木钙)、木质素磺酸钠(木钠)、木质素磺酸镁(木镁)等。其中木钙减水剂(又称M型减水剂)使用较多。木钙减水剂是由生产纸浆或纤维浆的废液，经生物发酵提取酒精后的残渣，再用石灰乳中和、过滤、喷雾干燥而制得的棕黄色粉末。木钙减水剂的掺量，一般为水泥质量的0．2％～O．3％，当保持水泥用量和混凝土坍落度不变时，其减水率为10％～15％，混凝土28d抗压强度提高10％～20％；若保持混凝土的抗压强度和坍落度不变，则可节省水泥用量10％左右；若保持混凝土的配合比不变，则可提高混凝土坍落度80～100mm。木钙减水剂对混凝土有缓凝作用，掺量过多或在低温下缓凝作用更为显著，而且还可能使混凝土强度降低，使用时应注意。木钙减水剂是引气型减水剂，掺用后可改善混凝土的抗渗性、抗冻性、降低泌水性。木钙减水剂可用于一般混凝土工程，尤其适用于大模板、大体积浇注、滑模施工、泵送混凝土及夏季施工等。木钙减水剂不宜单独用于冬季施工，在日最低气温低于5℃时，应与早强剂或早强剂、防冻剂等复合使用。木钙减水剂也不宜单独用于蒸养混凝土及预应力混凝土。(2)多环芳香族磺酸盐系减水剂这类减水剂的主要成分为萘或萘的同系物的磺酸盐与甲醛的缩合物，故又称萘系减水剂。萘系减水剂通常是由工业萘或煤焦油中的萘、蒽、甲基萘等馏分，经磺化、水解、缩合、中和、过滤、干燥而制成。萘系减水剂一般为棕色粉末，也有为棕色粘稠液体。使用液体减水剂时，应注意其有效成分含量(即含固量)。我国市场上这类减水剂的品牌很多，如NNO、FDN、SP一1、UNF一2、SN一Ⅱ、MF、建1、DH、AF、jw一1等等。其中大部分品牌为非引气型减水剂。萘系减水剂的适宜掺量为水泥质量的O．5％～1．O％，减水率为10％～25％，混凝土28d强度提高20％以上。在保持混凝土强度和坍落度相近时，则可节省水泥用量10％～20％。掺用萘系减水剂后，混凝土的其他力学性能以及抗渗性、耐久性等均有所改善。且对钢筋无锈蚀作用。萘系减水剂的减水、增强效果显著，属高效减水剂。萘系减水剂对不同品种水泥的适应性较强。适用于配制早强、高强、流态、防水、蒸养等混凝土。也适用于日最低气温0℃以上施工的混凝土，低于此温度则宜与早强剂复合使用。(3)水溶性树脂系减水剂这类减水剂是以一些水溶性树脂为主要原料的减水剂，如三聚氰胺树脂、古玛隆树脂等。我国生产的SM减水剂即是将三聚氰胺与甲醛反应生成三羟甲基三聚氰胺，再经硫酸氢钠磺化而得的以三聚氰胺树脂磺酸钠为主要成分的减水剂。CRS减水剂则是以古玛隆一茚树脂磺酸钠为主要成分的减水剂。SM减水剂掺量为水泥质量的O．5％～2．0％，其减水率为15％～27％，混凝土3d强度提高30％～100％，28d强度提高20％～30％。CRS减水剂掺量为水泥质量的0．75％～2．O％，其减水率为18％～30％，混凝土3d强度提高40％～130％，28d强度可提高20％～30％。这二种减水剂除具有显著的减水、增强效果外，还能提高混凝土的其他力学性能和混凝土的抗渗、抗冻性，对混凝土的蒸养适应性也优于其他外加剂。水溶性树脂系减水剂为高效减水剂，适用于早强、高强、蒸养及流态混凝土等。2．减水剂的作用机理上述各种减水剂尽管成分不同，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。综上所述，混凝土中掺加减水剂后可获得改善和易性或减水增强或节省水泥等多种效果。同时混凝土的耐久性也能得到显著改善。(二)早强剂早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂的主要种类有：无机物类(氯盐类、硫酸盐类、碳酸盐类等)；有机物类(有机胺类、羧酸盐类等)；矿物类(天然矿物如明矾石、合成矿物如氟铝酸钙、无水硫铝酸钙等)。1．常用早强剂(1)氯盐类早强剂主要有氯化钙、氯化钠、氯化钾、氧化胺、氯化铁、氯化铝等，氯盐类早强剂均有良好的早强作用，其中氯化钙早强效果好而成本低，应用最广。氯化钙的适宜掺量为水泥质量的0．5％～1．O％，能使混凝土3d强度提高50％～100％，7d强度提高20％～40％。(2)硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠(即元明粉)、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝、硫酸铝钾等。其中硫酸钠应用较多。硫酸钠为白色固体。一般掺量为水泥质量的0．5％～2．0％。当掺量1％～1．5％时，可使混凝土强度达到设计标准70％的时间缩短一半左右，硫酸钠对矿渣水泥混凝土的早强效果优于普通水泥混凝土。(3)有机胺类早强剂主要有三乙醇胺(简称TEA)、三异丙醇胺(简称TP)、二乙醇胺等，其中早强效果以三乙醇胺为最佳。三乙醇胺是无色或淡黄色油状液体，呈碱性，能溶于水。掺量为水泥质量的0．02％～0．05％，能使混凝土早期强度提高50％左右，28d强不变或略有提高。2．早强剂的作用机理各类早强剂的早强作用机理不尽相同。(1)氯盐类氯盐的掺入能增加水泥矿物的溶解度，加速水泥矿物的水化速度。例如CaCl2能与C3A作用生成几乎不溶于水和CaCl2溶液的水化氯铝酸钙，CaCl2又能与水化产物Ca(0H)2反应，形成溶解度极小的氧氯化钙(CaCl2•3Ca(0H)2•12HzO和CaCl2．Ca(0H)2．H20)，使水泥浆中Ca(0H)2浓度降低，这就有利于C3S的水化反应的进行。水化氯铝酸钙和氧氯化钙固相的早期析出，加速水泥浆体结构的形成，利于早期强度的发展。(2)硫酸盐类以硫酸钠为例，硫酸钠掺入后能发生如下反应：Na2S04+Ca(0H)2+2H2O――CaSO４•2H2O+2NaOH反应中所生成的硫酸钙具有高度分散性，且分布均匀，这种硫酸钙极易与C3A反应，迅速形成水化硫铝酸钙晶体。同时上述反应的发生也能加快C3S的水化。这就大大加快了混凝土的硬化速度，利于早期强度的发展。(3)有机胺类以三乙醇胺为例，三乙醇胺是一种较好的络合剂，在水泥水化的碱性溶液中能与Fe3＋和AL3＋等离子形成比较稳定的络离子，这种络离子与水泥的水化物作用生成溶解度很小的络盐，因此三乙醇胺对水泥水化有较好的催化作用。同时随着体系中固相析出量的增加，水泥混凝土的早期强度提高。3．早强剂的使用要点(1)氯盐类早强剂的掺入使混凝土中氯离子浓度增加，使钢筋与氯离子之间产生较大的电极电位，这就易使混凝土中钢筋锈蚀。因此，我国《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204—92)和《混凝土外加剂应用技术规范》(GBJll9～88)中对氯盐的掺量都有限制(见表4—20)。同时还规定在下列结构中不得掺用氯盐类早强剂：相对湿度大于80％环境中使用的结构；处于水位升降部位、露天、经常受水淋的结构；与镀锌钢材或铝铁相接触部位以及有外露预埋铁件而无防护措施的结构；与含有酸、碱或硫酸盐等侵蚀性介质相接触的结构；经常处于环境温度为60℃以上的结构；使用冷拉钢筋或冷拔低碳钢丝配筋的结构；直接靠近直流电源或高压电源的结构；薄壁结构、预应力混凝土结构；含有活性骨料的混凝土结构等。为防止氯盐对钢筋的锈蚀，一般氯盐与阻锈剂(如亚硝酸钠、铬酸盐、磷酸盐、锰酸盐等氧化剂)复合使用，其中亚硝酸钠的阻锈效果最佳。(2)硫酸盐对钢筋无锈蚀作用。硫酸钠的早强效果虽好，但若掺入量过多则会导致混凝土后期性能变差，且混凝土表面易析出“白霜”。影响外观与表面装饰，故对其掺量必须控制(见表4—20)。此外，硫酸钠的掺入会提高混凝土中碱含量，当混凝土中有活性骨料时，就会加速碱骨料反应，因此硫酸钠不得用于含有活性骨料的混凝土。同时，硫酸钠还不得用于下列结构：与镀锌钢材或铝铁相接触部位的结构；有外露钢筋预埋铁件而无防护措施的结构；使用直流电源的工厂及使用电气化运输设施的钢筋混凝土结构。(3)三乙醇胺对混凝土稍有缓凝作用，故必须严格控制掺量，掺量过多时会造成混凝土严重缓凝和混凝土强度下降。早强剂可加速混凝土硬化，缩短养护周期，加快施工进度，提高模板周转率。多用于冬季施工或紧急抢修工程。在实际应用中，早强剂单掺效果不如复合掺加。因此较多使用由多种组分配成的复合早强剂，尤其是早强剂与早强减水剂同时复合使用，其效果更好。常用复合早强剂、早强减水剂的组成与剂量，见表4—21。（三）速凝剂速凝剂是能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。速凝剂的主要种类有无机盐类和有机物类。我国常用的速凝剂是无机盐类。无机盐类速凝剂按其主要成分大致可分为三类：以铝酸钠为主要成分的速凝剂；以铝酸钙、氟铝酸钙等为主要成分的速凝剂；以硅酸盐(NaSiO２)为主要成分的速凝剂。主要型号有红星1型、711型、782型、8604型、WJ—l、J85型等等。1．常用速凝剂红星1型速凝剂是由铝氧熟料(主要成分为铝酸钠)、碳酸钠、生石灰按质量1：1：O．5的比例配制而成的一种粉状物。适宜掺量为水泥质量的2．5％～4．0％。7ll型速凝剂是由铝氧熟料与无水石膏按质量比3：1配合粉磨而成。适宜掺量为水泥质量的3％～5％。782型速凝剂是由矾泥、铝氧熟料、生石灰质量比r，4．5％：14．5％：11％的比例配制而成。适宜掺量为5％～7％。其他几种速凝剂也均以铝氧熟料为主要成分。速凝剂掺入混凝土后，能使混凝土在5min内初凝，10min内终凝。1h就可产生强度，ld强度提高2～3倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的80％～90％。温度升高，提高速凝效果。混凝土水灰比增大则降低速凝效果，故掺用速凝剂的混凝土水灰比一般为O•4左右。掺加速凝剂后，混凝土的干缩率有增加趋势，弹性模量、抗剪强度、粘结力等有所降低。2．速凝剂的作用机理速凝剂加入混凝土后，其主