1、6 混凝土的外加剂,6.1 概述1、定义 混凝土外加剂，是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土或硬化混凝土性能的材料 。除特殊情况外，掺量一般不超过水泥用量的5。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。,2、意义外加剂的使用是混凝土技术的重大突破。随着混凝土工程技术的发展，对混凝土性能提出了许多新的要求。如：泵送混凝土要求高的流动性； 冬季施工要求高的早期强度； 高层建筑、海洋结构要求高强、高耐久性。,6.2 外加剂的分类 混凝土外加剂种类繁多，根据混凝土外加 剂的定义、分类、命名与术语(GB
2、 8075-2005) 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、减缩剂等。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、防水剂和泵送剂等。目前，在工程中常用的外加剂主要有减水剂引气剂早强剂缓凝剂防冻剂等。,一、减水剂 定义：减水剂是指在保持混凝土稠度不变的条件下，具有减水增强作用的外加剂。1减水剂的作用原理 常用减水剂均属表面活性物质，其分子是由亲水基团和憎水基团两
3、个部分组成，见图6-1。,图6.1 表面活性剂分子结构模型,图6.2 水泥浆的絮凝结构和减水剂作用示意图,当水泥加水拌合后，由于水泥颗粒间分子凝聚力的作用，使水泥浆形成絮凝结构,由于减水剂的表面活性作用，致使憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基团指向水溶液，使水泥颗粒表面带有相同的电荷，在电斥力作用下，水泥颗粒互相分开,当水泥颗粒表面吸附足够的减水剂后，在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜层，它阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起润滑作用，也改善了混凝土拌合物的和易性。此外，由于水泥颗粒被有效分散，颗粒表面被水分充分润湿，增大了水泥颗粒的水化面积，使水化比较充分，从而提高了混凝土的强度
4、。,可见，减水剂作用原理可由吸咐分散作用、润滑作用、湿润作用三部分组成,2减水剂的技术经济效果 根据使用目的不同，在混凝土中加入减水 后，一般可取得以下效果：(1)增加流动性 在用水量及水泥用量不变时，混凝土坍落度可增大100200mm，明显提高混凝土流动性，且不影响混凝土的强度。泵送混凝土或其他大流动性混凝土均需掺入高效减水剂。 (2)提高混凝土强度 在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可减少拌合水量1015，从而降低了水灰比，使混凝土强度提高1520。特别是早期强度提高更为显著。掺入高效减水剂是制备早强、高强、高性能混凝土的技术措施之一。,(3) 节约水泥在保持流动性及水灰比不变的条件下，
5、可以在减少拌合水量的同时，相应减少水泥用量，即在保持混凝土强度不变时，可节约水泥用量1015，且有利于降低工程成本。(4) 改善混凝土的耐久性 由于减水剂的掺入，显著地改善了混凝土的孔结构，使混凝土的密实度提高，透水性降低，从而可提高抗渗、抗冻、抗化学腐蚀及防锈蚀等能力。 此外，掺用减水剂后，还可以改善混凝土拌合物的泌水、离析现象，延缓混凝土拌合物的凝结时间，减慢水泥水化放热速度。防止因内外温差而引起的裂缝。,3.常用的减水剂 按减水剂的作用效果及功能情况，可分为普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂及引气减水剂等。 按凝结时间可分为标准型、早强型、缓凝型三种； 按是否
6、引气可分为引气型和非引气型两种： 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；糖蜜类、腐植酸盐和复合型减水剂等。,(1)木质素磺酸盐系减水剂分类：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。木钙减水剂的掺量，一般为水泥质量的0.20.3。作用：当保持水泥用量和混凝土坍落度不变时，其减水率为1015，混凝土28d抗压强度提高1020；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80一100mm。注意：但是木钙减
7、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。,使用范围：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。,组成：多环芳香族磺酸盐系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。萘系减水剂的结构特点是憎水性的主链为亚甲基连接的双环或多环的芳烃，亲水性的
8、官能团则是连在芳环上的-SO3M等。 用量：萘系减水剂的适宜掺量为水泥质量的0.51.0。,(2) 多环芳香族磺酸盐系减水剂,性能：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，则可节约水泥用量1020。应用：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。,组成：水溶性树脂系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
9、剂。CRS减水剂则是以古玛隆一苟树脂磺酸钠为主要成分的减水剂。 用量及性能：SM减水剂掺量为水泥质量的0.52.0，其减水率为1527，混凝土3度提高30100，28d强度提高20一30。CRS减水剂掺量为水泥质量的0.752.0，其减水率为1830，混凝土3d强度提高40130，28d强度可提高20一30。,(3) 水溶性树脂系减水剂,特点：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。 应用：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。,二、早强剂 定义： 早强剂，是加速混凝土早
10、期强度发展，并对后期强度无显著影响的外加剂。 作用： 早强剂能加速水泥的水化和硬化，缩短养护期，从而达到尽早拆模、提高模板周转率，加快施工速度的目的。早强剂可以在常温、低温和负温(不低于一5C)条件下加速混凝土的硬化过程，多用于冬季施工和抢修工程。 分类： 早强剂主要有无机盐类(氯盐类、硫酸盐类)和有机类及有机一无机的复合物三大类。,氯盐早强剂 组成：氯盐早强剂主要包括氯化钙、氯化钠、氯化铝等。合理掺加氯盐类早强剂，会对混凝土的早期强度发展有利。 注意：不过氯盐类的早强剂只准在不配筋的素混凝土中掺加，对于钢筋混凝土，特别是预应力钢筋混凝上，以及有金属预埋件的混凝土中，要慎重使用这类外加剂，限制
11、Cl-含量的引入量，甚至要禁止使用。,作用机理：第一，氯化物与水泥中的c3A形成更难溶于水的水化氯铝酸盐，加速了水泥中的c3A水化，从而使水泥水化加速；第二，氯化物与水泥水化所得的氢氧化钙生成难溶于水的氧氯化钙，降低液相中氢氧化钙的浓度，加速c3s的水化。另外，由于氯化物多为易溶盐类，具有盐效应，可加大硅酸盐水泥熟料矿物的溶解度，加快水化反应进程，从而加速水泥及混凝土的硬化。,2) 硫酸盐早强剂 常用的硫酸盐早强剂为硫酸钠、硫酸钾和硫酸钙。注意：掺硫酸盐早强剂的混凝土要注意预防泛碱和白华现象。硫酸盐的掺量应通过实验确定，以免引起碱集料反应破坏或硫酸盐过量产生的侵蚀破坏。,3) 硝酸盐和亚硝酸盐
12、早强剂 硝酸盐和亚硝酸盐均对水泥水化过程起促进作用。这些盐类不仅能作为混凝土的早强剂组分，而且可以作为混凝土防冻剂组分使用。其主要品种有：亚硝酸钙一硝酸钙，硝酸钙一尿素、亚硝酸钙一硝酸钙一尿素、亚硝酸钙一硝酸钙一氯化钙，以及亚硝酸钙一硝酸钙一氯化钙一尿酸等。 亚硝酸钠的掺入还可以防止混凝土内部钢筋的锈蚀，其原因是可以促使钢筋表面形成致密的保护膜。所以氯盐早强剂或氯盐防冻剂中常复合有亚硝酸钠组分。,4) 有机化合物早强剂 最常用的有机化合物早强剂为三乙醇胺。三乙醇胺是一种表面活性剂，掺入水泥混凝土中，在水泥水化过程中起催化剂的作用，它能够加速C3A的水化和钙矾石的形成。三乙醇胺常与氯盐早强剂复合
13、使用，早强效果更佳。常用的有机化合物早强剂还有甲酸钙、乙酸和乙酸盐等。,5) 复合型早强剂和早强减水剂 通过对各种早强剂组分之间的复合，以及早强剂组分与减水剂组分之间的复合，可以收到比单一早强剂更好的改性效果。如：大幅度提高混凝土的早期强度发展速率；既能较好地提高混凝土的早期强度，又对混凝土后期强度发展带来好处；既具有一定减水作用，又能大幅度加速混凝土早期强度发展；既能起到良好的早强效果，又能避免有些早强组分引起混凝土内部钢筋锈蚀等。,早强剂的发展方向 1)非氯盐、非硫酸盐类早强剂及复配外加剂的生产和应用； 2)低氯离子、低硫酸根离子、低碱金属离子含量的早强剂及复配外加剂的生产和应用； 3)大
14、掺量矿渣粉或粉煤灰混凝土早强型外加剂的研制； 4)开展早强剂与水泥/掺合料适应性的研究，以更科学地选择早强剂，收到最佳和最经济的应用效果。,三、缓凝剂 1、定义： 缓凝剂，是指能延缓混凝土凝结时间，并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂。2、分类： 缓凝剂主要有四类：糖类，如糖蜜：木质素磺酸盐类，如木钙、木钠：羟基羧酸及其盐类，如柠檬酸、酒石酸：无机盐类，如锌盐、硼酸盐等。常用的缓凝剂是木钙和糖蜜，其中糖蜜的缓凝效果最好。,3、 缓凝剂的作用原理缓凝剂的作用原理十分复杂，至今尚没有一 个比较完满的分析理论。常有以下几种解释： 吸附理论认为缓凝剂被吸附在未水化水泥颗粒表面上，这是通过离子键、氢
15、键或偶极间作用，由于屏蔽而防止水分子靠近，阻碍了水化反应。 沉淀理论认为是缓凝剂与水泥中某些组分生成了不溶性物质，它包围了水泥颗粒从而阻碍了水化反应进行。 又有的理论认为是Ca(OH)2晶核上吸附了缓凝剂，妨碍了它的进一步生成、长大，这须使溶相中达到一定过饱和以后，Ca(OH)2才能继续生长。由于Ca(0H)2 不能及时析出就妨碍了硅酸盐相的进一步水化。,总之，水泥水化反应延缓，以及凝结的推迟，是由于缓凝剂吸附于水泥颗粒表面或水化产物表面所引起的。但目前还很难指出哪些化合物能有缓凝作用。 作用：缓凝剂具有缓凝、减水、降低水化热和增强作用，对钢筋也无锈蚀作用。 应用：主要适用于大体积混凝土和炎热
16、气候下施工的混凝土，泵送混凝土及滑模施工的混凝土，以及需长时间停放或长距离运输的混凝土。 注意：缓凝剂不宜用于日最低气温5C以下施工的混凝土，也不宜单独用于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土。,四、引气剂 定义：引气剂指在混凝土搅拌过程中，能引入大量分布均匀的微小气泡，以减少混凝土拌合物的泌水、离析，改善和易性，并能显著提高硬化混凝土抗冻性、抗渗性的外加剂。分类：目前，应用较多的引气剂为松香热聚物、松香皂、烷基苯磺酸盐等。,作用机理：引气剂大部分是阴离子表面活性剂，在水气界面上，憎水基向空气一面定向吸附，在水泥水外面上，水泥或其水化粒子与亲水基相吸附，憎水基背离水泥及其水化粒子，形成憎水化吸附层，
17、并力图靠近空气表面，由于这种粒子向空气表面靠近和引气剂分子在空气水界面上的吸附作用，将显著降低水的表面张力，使混凝上在拌合过程中产生大量微细气泡，这些气泡有带相同电荷的定向吸附层，所以相互排斥并能均匀分布； 另一方面，许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中有钙盐沉淀，吸附于气泡膜上，能有效防止气泡破灭，引入的细小均匀的气泡能在一定时间内稳定存在。,从上述机理可以看出引气剂的界面活性作用与减水剂相似：区别在于减水剂的界面活性作用主要发生在液一固界面，而引气剂的界面活性作用主要在气一液界面上。由于能显著降低水的表面张力和界面能，使水溶液在搅拌过程中极易产生许多微小的封闭气泡，气泡直径多在5025
18、0m。同时，因引气剂定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不破裂。按混凝土含气量35计(不加引气剂的混凝土含气量为1)，1m3混凝土拌合物中含数百亿个气泡。由于大量微小、封闭并均匀分布的气泡的存在，使混凝土的某些性能得到明显改善或改变。,作用：(1) 改善混凝土拌合物的和易性。由于大量微小封闭球状气泡在混凝土拌合物内形成，如同滚珠一样，减少了颗粒间的摩擦阻力，使混凝土拌合物流动性增加。同时，由于水分均匀分布在大量气泡的表面，使能自由移动的水量减少，混凝土拌合物的保水性、粘聚性也随之提高。(2) 显著提高混凝土的抗渗性、抗冻性。大量均匀分布的封闭气泡有较大的弹性变形能力，对由水结冰
19、所产生的膨胀应力有一定的缓冲作用，因而混凝土的抗冻性得到提高。大量微小气泡占据于混凝土的孔隙，切断毛细管通道，使抗渗性得到改善。,(3) 降低混凝土强度 由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。应用及注意：引气剂可用于抗渗混凝土、抗冻混凝土、抗硫酸盐侵蚀混凝土、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻混凝土，以及对饰面有要求的混凝土等，但引气剂不宜用于蒸养混凝土及预应力混凝土。,五、防冻剂 1、定义：防冻剂，是能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期足够防冻强度的外加剂。2、分类：按负温养护温度可分为-5、-10 、-15 三类；按成分可分为：无机盐类、有机盐类、
20、有机化合物与无机盐复合类、复合型防冻剂。常用的防冻剂为复合型，由防冻、早强、减小、引气等多组分组成各尽其能，完成预定抗冻性能。,六、速凝剂 1、定义：速凝剂，是指能使混凝土迅速凝结硬化的外加剂。速凝剂主要有无机盐类和有机物类两类。2、功能：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，1d强度提高23倍，但后期强度会下降，28d强度约为不掺时的8090。3、应用：速凝剂主要用于矿山井巷、铁路隧道、引水涵洞、地下工程以及喷锚支护时的喷射混凝土或喷射砂浆工程。,七、减缩剂 1、意义：混凝土很大的一个缺点是在干燥条件下产生收缩，这种收缩导致了硬化混凝土的开裂和其
21、他缺陷的形成和发展，使混凝土的使用寿命大大下降。在混凝土中加入减缩剂能大大降低混凝土的干燥收缩，典型性的能使混凝土的28d收缩值减少5080，最终收缩值减少2550。2、机理：主要是能降低混凝土中的毛细管张力，从本质上讲，减缩剂是表面活性物质，有些种类的减缩剂还是表面活性剂。当混凝土由于干燥而在毛细孔中形成毛细管张力使混凝土收缩时，减缩剂的存在使毛细管张力下降，从而使得混凝土的宏观收缩值降低，所以混凝土减缩剂对减少混凝土的干缩和自缩有较大作用。,6.3 外加剂的选择和使用 在混凝土中掺用外加剂，若选择和使用不当，会造成质量事故。因此，应注意以下几点： 1外加剂品种的选择 外加剂品种、品牌很多，
22、效果各异，特别是对不同品种水泥效果不同。在选择外加剂时，应根据工程需要，现场的材料条件，参考有关资料，通过试验确定。 2外加剂掺量的确定 混凝土外加剂均有适宜掺量。掺量过小，往往达不到预期效果；掺量过大，则会影响混凝土质量，甚至造成质量事故。因此，应通过试验试配，确定最佳掺量。,3外加剂的掺加方法 外加剂的掺量很少，必须保证其均匀分散，一般不能直接加入混凝土搅拌机内。掺入方法会因外加剂不同而异，其效果也会因掺人方法不同而存在差异。故应严格按产品技术说明操作。如：减水剂有同掺法、后渗法、分掺法等三种方法。 a. 同掺法，是减水剂在混凝土搅拌时一起掺入； b. 后掺法，是搅拌好混凝土后间隔一定时间
23、，然后再掺入； c. 分掺法，是一部分减水剂在混凝土搅拌时掺入，另一部分在间隔一段时间后再掺入。而实践证明，后掺法最好，能充分发挥减水剂的功能。,4外加剂的储运保管 混凝土外加剂大多为表面活性物质或电解质盐类，具有较强的反应能力，敏感性较高，对混凝土性能影响很大，所以在储存和运输中应加强管理。 失效的、不合格的、长期存放、质量未经明确的禁止使用； 不同品种类别的外加剂应分别储存运输； 应注意防潮、防水、避免受潮后影响功效； 有毒的外加剂必须单独存放，专人管理； 有强氧化性外加剂必须进行密封储存； 同时还必须注意储存期不得超过外加剂的有效期。,本章小结 掌握减水剂、引气剂、早强剂、缓凝剂等外加剂的定义、分类及其作用； 熟悉混凝土外加剂的定义、分类及其意义； 熟悉混凝土外加剂的选择和使用； 了解减水剂的作用效果及其常用品种； 了解其他混凝土外加剂的常见品种及其作用机理。,
