淺談混凝土外加劑的合理應(yīng)用

徐健康

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淺談混凝土外加劑的合理應(yīng)用

徐健康

福建建材工業(yè)學(xué)校

該文回顧了我國混凝土外加劑的發(fā)展和應(yīng)用狀況，介紹了目前常用混凝土外加劑的種類、品種選擇、摻量控制、摻加方法以及今后混凝土外加劑的發(fā)展方向。

混凝土外加劑 選擇 控制 方法

我國混凝土外加劑的研究和應(yīng)用始于1950年，由于條件限制，在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)混凝土外加劑發(fā)展緩慢。直到上世紀(jì)80年代，外加劑的發(fā)展才逐步活躍起來，但在當(dāng)時，外加劑品種并不太多且多數(shù)產(chǎn)品還未進(jìn)入復(fù)合階段，大都是單一組成。這一時期全國大概只有5%的水泥摻用外加劑。進(jìn)入90年代，我國混凝土外加劑無論從品種、牌號、產(chǎn)量、質(zhì)量以及應(yīng)用技術(shù)水平等都有了顯著提高和發(fā)展。邁入21世紀(jì)，外加劑的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，其理論研究與應(yīng)用技術(shù)水平已經(jīng)大大縮小了我國與先進(jìn)國家的差距，甚至某些研究水平已接近、達(dá)到甚至超過國際水平。目前摻外加劑混凝土量占我國混凝土總量的40%～45%左右，廣泛應(yīng)用于高速鐵路客運專線、跨海大橋、三峽水利工程、南水北調(diào)、市政工程及令世人矚目的奧運工程。

1 混凝土外加劑的種類

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO TC71/ Sc3 提出混凝土外加劑的定義如下:“在混凝土、砂漿、凈漿拌合時或在額外增加的拌合操作中摻合等于或少于水泥質(zhì)量的5%，使混凝土的正常性能得以按要求改善的物質(zhì)”。1987年我國制定并頒布混凝土外加劑的國家標(biāo)準(zhǔn)（即GB8075-87）將混凝土外加劑定義為：“在拌制混凝土過程中摻入，用以改善混凝土性能的物質(zhì)。摻量不大于水泥質(zhì)量的5%(特殊情況除外)”[1]。定義強調(diào)了兩點：第一、混凝土外加劑的摻量小于或等于水泥重量的5%；第二、使混凝土的正常性能得以按要求改善的一種產(chǎn)品。這句話的真正含義是什么？正常的混凝土性能為什么要改性？結(jié)論只有一個，常態(tài)的混凝土性能，不一定能滿足設(shè)計或施工技術(shù)要求，這就需要或依靠外加劑對混凝土的改性。

從使用功能來看，混凝土外加劑大體上分為五類:①改善新拌混凝土流變性能，如減水劑、引氣劑、保水劑等；②調(diào)節(jié)混凝土凝結(jié)以及硬化性能，如緩凝劑、早強劑、速凝劑等；③調(diào)節(jié)混凝土氣體含量，如引氣劑、發(fā)氣劑、泡沫劑、消泡劑等；④改善混凝土耐久性，如引氣劑、阻銹劑、抗凍劑、抗?jié)B劑、防腐蝕劑等；⑤為混凝土提供特殊性能，如發(fā)氣劑、泡沫劑、著色劑、膨脹劑、堿—骨料反應(yīng)抑制劑等。

2 混凝土外加劑品種選擇

2.1 根據(jù)混凝土施工及性能要求選用外加劑

商品混凝土中應(yīng)用外加劑是為了克服混凝土運輸途中坍落度損失、節(jié)約水泥及滿足特種要求，如可泵性、早強及降低水泥初期水化熱等。故在商品混凝土中主要應(yīng)用減水劑，冬季施工時可選用早強減水劑，少數(shù)單位應(yīng)用高效減水劑。如寶鋼一期工程共用商品混凝土216萬m3，使用普通減水劑1400噸，節(jié)約水泥4.8萬噸，節(jié)約資金140萬元。

泵送混凝土中應(yīng)用外加劑是為了提高混凝土的可泵性，確?；炷恋馁|(zhì)量。泵送混凝土中應(yīng)用的外加劑主要是泵送劑，當(dāng)混凝土標(biāo)號較高時，應(yīng)用AF、FFT、FDN 等高效減水劑。如南京金陵飯店是我國高層建筑中第一個使用泵送混凝土的工程，泵送垂直高度112m3，水平泵送距離114 m3，共澆筑混凝土1800 m3。

大模板施工中應(yīng)用外加劑是為了提高混凝土的流動性、保水性和粘聚性，保證混凝土8～10h達(dá)到拆模強度，24～28h 達(dá)到扣板強度。所以夏季一般應(yīng)用緩凝減水劑，冬季應(yīng)用早強減水劑或高效減水劑。例如福州某高層住宅大樓現(xiàn)澆內(nèi)墻施工中應(yīng)用緩凝減水劑，氣溫10℃以下時復(fù)合使用早強減水劑。

大體積混凝土中主要應(yīng)用緩凝外加劑，其目的是降低水泥初期水化熱，避免混凝土出現(xiàn)裂縫，如三峽工程是我國目前最大的水電工程,三峽一期工程混凝土方量約為300 萬m3，所使用的外加劑為緩凝引氣型減水劑，選用的外加劑品種有木鈣、KM 緩凝劑、DH4A-1、JG-4、FDN-RH6等。

高性能道面混凝土中應(yīng)用外加劑是為了提高混凝土的抗折強度和耐久性。如青藏鐵路(格拉段)新建線全長1111km，其中550km位于多年凍土區(qū)，是目前全球最長的一條穿越高原多年凍土區(qū)的鐵路。在混凝土中摻入“低溫、早強、耐久”外加劑如硅粉、引氣劑等，提高混凝土的密實度和抗凍融性能，保證了在300次凍融循環(huán)作用下梁體混凝土強度及彈性模量不小于設(shè)計值的80%，大大提高了混凝土耐久性[2]。

另外，地下工程由于長期與含有Cl-、SO42 -等離子的土壤及地下水接觸，和一般地面地上工程的混凝土相比，地下工程混凝土中應(yīng)用外加劑是為了提高混凝土的耐久性、滿足一定的增強抗?jié)B和抗腐蝕性要求。即采用低用水量大摻量礦物摻合料的技術(shù)路線，使用高效外加劑來降低用水量和水膠比，從而提高混凝土的耐久性。如南昌樞紐西環(huán)線工程、向莆鐵路混凝土的水下灌注樁、現(xiàn)澆梁等,采用了萘系為主的第二代減水劑與聚羧酸類為主的第三代減水劑收到了很好效果。

2.2 根據(jù)外加劑與水泥的相容性確定外加劑

不同品種的水泥，其礦物組成、調(diào)凝劑、混合料及細(xì)度等各不相同。若外加劑與摻量均相同的情況下，其應(yīng)用結(jié)果(減水率、坍落度、泌水、離析等)有很大差異。在初步選用外加劑品牌后，就要進(jìn)行水泥與外加劑適應(yīng)性試驗，適應(yīng)性試驗方法及步驟見GB-50119-2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。

2.3 使用前進(jìn)行試驗

為了確保工程質(zhì)量，對減水劑宜根據(jù)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，在使用前首先做勻質(zhì)性試驗，一般應(yīng)測定表面張力和含固量兩項，當(dāng)測定表面張力有困難時可用起泡性代替，然后進(jìn)行混凝土試配，如檢驗減水劑混凝土的性能，一般應(yīng)測定坍落度損失、減水率、含氣量和抗壓強度四項。

3 外加劑的摻量控制

每種外加劑都有適宜的摻量，即便是對同一種外加劑而言，用途不同，適宜的摻量也不同。在確保計量設(shè)備、計量精度準(zhǔn)確和靈敏前提下，應(yīng)嚴(yán)格按照經(jīng)試配后的最佳摻量和用水量進(jìn)行計量，避免出現(xiàn)摻量過大或過小。如高效減水劑摻量過小失去高效能作用，而摻量過大（>1.5%），則既不經(jīng)濟同時還會由于泌水而影響質(zhì)量（如圖1）。氯鹽的限制是眾所周知的，過量會引起鋼筋銹蝕。防凍劑的摻量與溫度有關(guān)，并且根據(jù)強度效果作了摻量規(guī)定。而在有效控制摻量的前提下，外加劑的性能可以得到最大限度的發(fā)揮。比如，一種是以三羥甲基氨基甲烷10%，亞硝酸鈣16%，硫氰酸鈉10%，乳酸4%和水60%組成的液體超早強劑，它的作用是使混凝土凝結(jié)后快速增加強度，能使混凝土在拌和后1h內(nèi)完成澆筑。主要應(yīng)用于混凝土工程搶修任務(wù)，比如水工建筑物中受高速水流沖刷磨損的混凝土、海港碼頭遭到海浪磨蝕的混凝土工程。這種混凝土的強度試驗結(jié)果見表1[3]。

圖1

表1 超早強劑對混凝土早期抗壓強度的影響

4 外加劑的摻加方法

影響減水劑摻加方法的因素主要有水泥品種、減水劑品種、減水劑摻量、摻加時間及復(fù)合的其它外加劑等，均宜通過試拌確定。研究表明，外加劑的摻加方法對外加劑的使用效果影響較大，尤其是活性劑類減水劑、引氣劑及含有表面活性劑成分的外加劑。常用的外加劑摻用方法有以下幾種：

4.1 先摻法。即外加劑干粉與水泥混合，然后再與砂、石、水一起攪拌。萘系高效減水劑，先摻法塑化效果比滯水法差。

4.2 同摻法。這是最常見的一種摻加方法。即在攪拌混凝土?xí)r，將外加劑溶液(粉劑應(yīng)預(yù)先溶解)與水一起摻入到混凝土中。

4.3 后摻法。又分為滯水法和分批添加法,即在混凝土拌好后，再將外加劑一次或分?jǐn)?shù)次加入到混凝土中(須經(jīng)二次或多次攪拌)。滯水法即外加劑滯后于水2～3min加入；分批添加法即分批摻加外加劑。實踐證明，后滲法具有許多優(yōu)點。在相同條件下，可降低外加劑摻量30%～40% ，特別是對水泥礦物中C3A及C4AF含量高的水泥，因為不同水泥礦物對外加劑的吸附性能不一樣。當(dāng)水泥水化時，C3A與C4AF水化最快,而大量形成后期強度的礦物為C3S及C2S的水化物。后摻法可以在C3A及C4AF已水化后，減水劑才進(jìn)入溶液,可保證一定濃度作用于C3S及C2S的水化過程。

5 外加劑的復(fù)合應(yīng)用

現(xiàn)在的混凝土中使用單一品種外加劑的情況已很少見，為了同時滿足混凝土對各種性能的要求，需要把各種外加劑混合復(fù)配，讓各復(fù)配成分之間共同作用而產(chǎn)生疊加效應(yīng)。一般復(fù)配外加劑至少由兩種組分配制，形成二元或多元復(fù)合，通常是由多種表面活性劑或與無機電解質(zhì)等組成。如復(fù)合早強劑、復(fù)合防凍劑、泵送劑、復(fù)合緩凝引氣減水劑等?；炷镣饧觿┮仓饾u向著高效能、多功能的方向發(fā)展。

6 混凝土外加劑的發(fā)展方向

混凝土外加劑被行業(yè)俗稱為“混凝土第五組分”。在現(xiàn)階段或者將來很長一段時間，建筑工程在我國都將有一個極大地發(fā)展，并且建筑物的功能和要求也會越來越高，高性能和高強度混凝土應(yīng)用會越來越廣泛,在提高水泥性能的同時，外加劑也最終會成為保證混凝土質(zhì)量的一個不可或缺的元素。

在混凝土要求不斷提高的情況下,外加劑也在不斷研發(fā)和進(jìn)步，大致的發(fā)展方向有以下幾個方面[4]:

6.1 復(fù)合多功能型。復(fù)合多功能型外加劑，在性能上可以取長補短，趨于完善，并且要價格便宜，使用面廣，性能良好。

6.2 品種系列化、多樣化。不斷研制開發(fā)新品種，使品種系列化、多樣化，以滿足各種特殊工程的需要，并方便工程使用和質(zhì)量控制。

6.3 發(fā)展高強化、抗老化所需用的外加劑。近年來，各國使用的混凝土的平均強度和最高強度都在不斷提高，發(fā)展高強化、抗老化所需用的高效能外加劑，為制備高強、超高強混凝土提供條件，利用高效減水劑的減水作用，制備大流動性混凝土，使施工省力，造價降低，工效提高。

6.4 降低外加劑的生產(chǎn)成本。充分利用各種工業(yè)廢料生產(chǎn)外加劑，改革外加劑的配方和生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)物美、價廉、效高的外加劑產(chǎn)品，為廣泛推廣應(yīng)用混凝土外加劑提高競爭能力。

6.5 加強對混凝土外加劑作用機理的深入研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)采用先進(jìn)的測試手段，研制外加劑的作用機理，為進(jìn)一步發(fā)揮外加劑的作用，取得更好的經(jīng)濟效益，有效地指導(dǎo)生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

[1] 葛兆明. 混凝土外加劑[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 吳少海. 青藏鐵路多年凍土區(qū)橋梁設(shè)計特點[J]. 中國鐵路, 2002,(9): 35-37.

[3] 張偉, 侯鵬宇. 混凝土外加劑的摻量試驗[J]. 河南水利與南水北調(diào)，2008,（5）：55-56.

[4] 李京鴻, 李家武. 淺談混凝土外加劑應(yīng)用[J]. 價值工程，2010,（12）：104.