混凝土外加剂及其应用

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：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。②调节混凝土凝结硬化性能的外加剂，包括缓凝剂、早强剂和速凝剂等。

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。外加剂掺量一般不大于水泥质量的5%（特殊情况除外）。外加剂掺量虽小，但其技术经济效果很显著，因此，外加剂已成为混凝土的重要组成部分，被称为混凝土的第五组分，越来越广泛地应用于混凝土中。混凝土外加剂按其功能分为四类：

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提供混凝土其他性能的外加剂，包括加气剂、膨胀剂、防冻剂、隔离剂等。

建筑工程上常用的外加剂有：减水剂、早强剂、缓凝剂、引气剂和复合型外加剂等。

外加剂的掺入方法有三种：

①先掺法，即先将外加剂与水泥混合，然后再与集料和水一起搅拌。

②后掺法，即在混凝土拌合物送到浇筑地点后，才加入外加剂并再次搅拌均匀。

③同掺法，即将外加剂先溶于水形成溶液后再加入拌合物中一起搅拌。

1.减水剂（Water Reducing Admixture）

减水剂是指在混凝土拌合物坍落度不变的条件下，具有减水增强作用的外加剂称为减水剂。根据减水率大小及功能，减水剂可分为普通减水剂和高效减水剂两大类。此外，尚有复合型减水剂如引气减水剂，既具有减水作用又能提高早期强度。

（1）减水剂的主要作用

①在混凝土拌合物和易性和水泥用量不变的条件下，可减少用水量，降低水灰比。

②在不改变混凝土拌合用水量时，可大幅度提高新拌混凝土的流动性。

③在保持混凝土拌合物流动性和混凝土强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥。

④改善混凝土拌合物的综合性能，减少混凝土拌合物的分层、离析和泌水。

（2）减水剂的作用机理

减水剂尽管种类繁多，但都属于表面活性剂，其减水作用机理相似。减水剂提高混凝土拌合物和易性的原因，可归纳为两方面：吸附—分散作用和润滑塑化作用。

①吸附-分散作用

水泥加水拌和后，由于水泥颗粒间分子引力的作用，产生许多絮状物而形成絮凝结构，使10%～30% 的拌和水（游离水）被包裹在其中（图4.4），从而降低了混凝土拌合物的流动性。当加入适量减水剂后，减水剂分子定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基指向水溶液。因亲水基团的电离作用，使水泥颗粒表面带上电性相同的电荷，产生静电斥力[图4.5（a）]。水泥颗粒相互分散，导致絮凝结构解体，释放出游离水，从而有效地增大了混凝土拌合物的流动性[图4.5（b）]。

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图4.4　水泥絮凝结构示意图

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图4.5　减水剂的作用简图

②润滑塑化作用。

阴离子表面活性剂类减水剂，其亲水基团极性很强，易与水分子以氢键形式结合，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜[图4.5（b）]，这层水膜是很好的润滑剂，有利于水泥颗粒的滑动，从而使混凝土流动性进一步提高。减水剂还能使水泥更好地被水湿润，也有利和易性的改善。

（3）减水剂常见品种

①木质素系减水剂。

木质素系减水剂主要有木质素磺酸钙（木钙）、木质素磺酸钠（木钠）和木质素磺酸镁（木镁）三类。其中以木钙使用最多，并简称M剂。

M剂是由生产纸浆或纤维浆的木质废液，经发酵处理、脱糖、浓缩、干燥、喷雾而制成的粉状物质。M剂因原料丰富，价格低廉，并具有较好的塑化效果，故目前应用十分普遍。M剂为缓凝引气型减水剂，其适宜掺量为0.2%～0.3%，减水率10%左右。若维持混凝土的抗压强度和坍落度不变，一般可节省水泥8%～20%。

M型减水剂还可减少混凝土拌合物的泌水性，改善混凝土的抗渗性和抗冻性，故适用于大模板、大体积浇筑模板施工，泵送混凝土及夏季施工等。M型减水剂对混凝土有缓凝作用，掺量过多，除造成缓凝外，还可使强度下降。M型减水剂不利于冬季施工，也不宜蒸汽养护。

②萘系减水剂。

萘系减水剂为高效减水剂，它是以工业萘或由煤焦油中分馏出的含萘及萘的同系物馏分为原料，经磺化、水解、缩合、中和、过滤、干燥而制成，为棕色粉末，其主要成分为萘磺酸盐甲醛缩合物，属阴离子表面活性剂。一般减水率在15%以上，早强显著，混凝土28d强度增强20%以上，适宜掺量为水泥质量的0.2%～0.5%。适用于日最低气温0℃以上的所有混凝土工程，尤其适用于配制高强、早强、流态等混凝土。

④糖蜜类减水剂。

糖蜜类减水剂简称糖钙，为普通减水剂，它是以制糖工业的糖渣、废蜜为原料，经石灰中和处理成的一种棕色粉状物或糊状物，主要成分为糖钙、蔗糖钙，属非离子表面活性剂。糖蜜系减水剂与M剂相似，属缓凝型减水剂，适宜掺量为0.2%～0.3%，减水率在10%左右，凝结时间延缓3 h 以上，对钢筋无锈蚀作用。主要适用于大体积混凝土、夏季施工混凝土、水工混凝土，国内产品粉状有TF、ST、3FG等，糊状有糖蜜。

2.引气剂（Air Entraining Admixture）

引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。引气剂也是表面活性剂，其憎水基团朝向气泡，亲水基团吸附一层水膜，气泡薄膜的形成也起到了保水作用。引气剂引入的封闭气孔（直径为20～1 000 μm）能有效隔断毛细孔通道，并能减少泌水造成的空隙，从而增强抗渗性。同时，封闭气孔的引入对水结冰时的膨胀能起到有效的缓冲作用，从而提高抗冻性。加入引气剂，会使混凝土的强度和弹性模量有所降低。

常用的引气剂有松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类等。适宜掺量为水泥质量的0.005%～0.01%。引气剂适用于配制抗冻混凝土、泵送混凝土、防水混凝土、港口混凝土、泌水严重的混凝土及腐蚀环境的混凝土。

3.早强剂（Hardening Accelerating Admixture）

早强剂是指加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂可改变水泥的水化过程或速度，加快混凝土强度的发展。常用早强剂有以下几种：

（1）氯化钙（氯化钠）早强剂

氯化钙的早强作用主要是因为它能与C3A和Ca（OH）2反应生成不溶性复盐即水化氯铝酸钙和氧氯酸钙，增加水泥浆体中的固相比例，提高早期强度；液相中Ca（OH）2浓度降低，也使C3S 、C2S加速水化，使早期强度提高。

氯化钙的适宜掺量为0.5%～3%。氯化钙早强效果显著，能使混凝土3d强度提50%～100%，7d强度提高20%～40%。氯化钙早强剂因其能产生氯离子，易使钢筋产生锈蚀，故施工中必须严格控制掺量。在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的1%，必要时应与阻锈剂亚硝酸钠NaNO2复合使用；在无筋混凝土中掺量不得超过3%。

（2）硫酸盐类早强剂

硫酸盐类早强剂主要有硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝等。硫酸钠应用最多，效果较好。硫酸盐的早强作用主要是与水泥的水化产物Ca（OH）2反应，能迅速生成水化硫铝酸钙，增加固相体积，提高早期结构的密实度，同时也会加快水泥的水化速度，因而提高混凝土的早期强度。

硫酸钠的适宜掺量为0.5%～2%，若掺量过多，则会导致混凝土后期强度变差，常以复合使用效果更佳。

（3）有机胺类早强剂

有机胺类早强剂主要有三乙醇胺、三乙丙醇胺、二乙醇胺等。其中，早强效果以三乙醇胺最佳。三乙醇胺是一种非离子型表面活性剂，它能降低水溶液的表面张力，增加水泥的分散速度，因而加快了水泥的水化速度。

三乙醇胺掺量一般为0.02%～0.05%，可使3d强度提高20%～40%，对后期强度影响较小，对钢筋无锈蚀作用，但会增大干缩。

4.缓凝剂（Set Retarder）

缓凝剂是指能延长混凝土凝结时间，而不影响混凝土后期强度的外加剂。常用的缓凝剂及缓凝减水剂有木钙和糖类；羟基羧酸及其盐类，如柠檬酸、酒石酸钾钠等。

（1）木质素磺酸盐类缓凝剂

常用的是木钙，掺量一般是水泥质量的0.2%～0.3%，混凝土凝结时间可延长2～3 h。

（2）糖蜜缓凝剂

糖蜜缓凝剂主要成分为己糖钙、蔗糖钙等，掺量一般为水泥质量的0.1%～0.3%，混凝土的凝结时间可延长2～4 h。