淺談混凝土外加劑及其應用

馬裕添

（汕頭市達濠市政建設有限公司，廣東汕頭515041）

0 前言

自從1824年波特蘭水泥問世以來，混凝土與鋼筋混凝土應用愈來愈廣泛，混凝土科學技術也不斷取得進步。上世紀30年代開始采用的以引氣劑與塑化劑為主的混凝土外加劑技術，對優質混凝土的四大要素，即耐久性、強度、工作性與經濟性，產生了十分明顯甚至是決定性的作用。時至今日，外加劑已成為現代混凝土不可缺少的組成部分，摻加優質外加劑已成為混凝土改性的一條必經的技術途徑。

1 混凝土外加劑簡述

1.1 混凝土外加劑的定義和分類

混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入，用以改善混凝土性能的物質，摻量不大于水泥質量的5%。外加劑按其主要功能分為四類：

（1）改善混凝土拌合物流變性能的外加劑。包括各種減水劑、引氣劑和泵送劑等。

（2）調節混凝土凝結時間、硬化性能的外加劑。包括緩凝劑、早強劑和速凝劑等。

（3）改善混凝土耐久性的外加劑。包括引氣劑、防水劑和阻銹劑。

（4）改善混凝土其他性能的外加劑。包括加氣劑、膨脹劑、防凍劑、著色劑、防水劑和泵送劑等。

1.2 使用外加劑的主要目的

1.2.1 改善新拌混凝土、砂漿、水泥漿的性能

（1）不增加用水量而提高和易性，或和易性相同時減少用水量；

（2）縮短或延長初凝時間；

（3）減少或避免沉陷或產生微小膨脹；

（4）改變泌水率或泌水量，或兩者同時改變；

（5）減小離析；

（6）改善滲透性與可泵性；

（7）減小坍落度損失率。

1.2.2 改善硬化混凝土、砂漿、水泥漿的性能

（1）延緩或減少水化熱；

（2）加速早期強度增長率；

（3）提高強度（壓、拉或彎曲）；

（4）提高耐久性或抵抗嚴酷的暴露條件，包括防凍鹽的應用；

（5）減小毛細管水的流動；

（6）降低液相滲透力；

（7）控制堿與某些集料成分反應產生的膨脹；（8）配制多孔混凝土；

（9）提高混凝土與鋼筋的粘結力；（10）增加新老混凝土粘結力；

（11）改善抗沖擊與抗磨損的能力；

（12）阻止埋在混凝土中金屬的銹蝕；

（13）配制彩色混凝土或砂漿。

2 混凝土外加劑應用中的問題

混凝土外加劑用于提高新拌混凝土的工作性，改善工藝性能，強化生產過程。同時改善和提高硬化混凝土的物理力學性能，提高建筑物或構件的質量和耐久性。此外，還可以節約水泥，降低成本，加快工程進度。一種外加劑只具備一種或某幾種性能，即使應用高效能多功能復合外加劑也不一定能完全滿足實際混凝土工程的技術要求。因此，必須根據混凝土使用要求，正確地選擇和應用外加劑才能取得較好的技術經濟效果。

目前，世界上許多國家對混凝土外加劑制訂了相應的標準和規范，明確規定了外加劑產品的質量要求，摻外加劑混凝土的性能指標，以及各種外加劑的適用范圍，這樣為正確使用外加劑提供了指導性的依據。另外，生產外加劑的廠商也備有外加劑產品的性能和使用說明書，對該產品的正確使用提供參考資料。這些國家標準和規范的制定推動了混凝土外加劑的生產和應用，并且形成了新興的產業。

我國水泥產量居世界首位，而且水泥產品具有多樣性，同一種水泥的質量和標號差別也很大，這樣給外加劑的推廣應用帶來許多困難。例如，同一種外加劑用于不同廠家生產的同類水泥配制的混凝土，會得出不同的效果，有時甚至得到相反的結果。因此，針對我國水泥品種復雜的情況，外加劑對水泥的適用性（相容性）就成為突出的問題。要正確地使用外加劑，必須掌握影響混凝土性能的基本規律。

3 混凝土外加劑的選擇、摻量和使用方法

混凝土外加劑是天然或合成的化學物質，可以是單一或復合組分。使用外加劑時必須根據工程對混凝土性能要求選擇合適的外加劑，注意外加劑的摻量和使用方法。

3.1 混凝土外加劑的基本性能

混凝土外加劑是一種工業產品，對其基本性能的要求是：

（1）能改變混凝土一種或某幾種性能，而不產生副作用；

（2）在運輸和貯存中保持良好的勻質性和穩定性；

（3）在早期或后期對混凝土中的鋼筋及其它預埋件沒有損害作用；

（4）使用安全，對環境無污染。

國外，混凝土外加劑90%是以液體產品出售，我國大部分是固體粉狀產品。使用固體產品的摻量以水泥重量百分數表示，而使用液體產品的摻量以體積計量，即每100 kg水泥摻用液體外加劑的毫升數。任何一種外加劑產品都應當符合國家標準或行業標準對產品的勻質性和其混凝土性能的要求。

3.2 混凝土外加劑的選擇

混凝土外加劑的選擇根據工程設計對混凝土性能的要求而定，如強度標號、抗滲性、抗凍融性、耐久性、彈性模量等物理力學性能，以及施工工藝、施工季節（冬季或夏季施工）、澆筑的部位和體積等。另外，還要考慮實際工程提供的原材料：水泥品種和標號、砂石質量等。在此基礎上選擇符合使用要求的外加劑品種和牌號。

在選擇外加劑時，必須采用實際工程用的原材料進行混凝土試配試驗，并且摻用不同廠家生產的同一種外加劑，根據試配結果從中確定技術經濟最合適的外加劑。

試驗評定外加劑的理由是：

（1）檢測外加劑是否符合使用要求；

（2）根據施工現場條件和現場使用的材料來評定外加劑對混凝土性能的影響；

（3）檢查每批產品的勻質性和穩定性；

（4）生產廠家提供的資料是否符合試配檢驗結果。

選擇外加劑的根本原則：第一是性能符合工程使用要求；第二是經濟的合理性。在某些情況下，決定外加劑在混凝土工程中使用的主要因素是外加劑的成本，這就要求生產廠家根據平時使用外加劑的經濟效果開發和生產新產品。

3.3 混凝土外加劑的摻量

外加劑的最佳摻量是獲得最好的技術效果和經濟效果的重要因素。外加劑的最佳摻量是通過混凝土試配結果確定的，根本的原則是在滿足混凝土性能要求的前提下，采用最低摻量。生產廠家的產品說明書中提供的是某種外加劑使用時的摻量范圍，而使用單位必須通過混凝土試配確定外加劑的合理摻量。

不同類型的外加劑的摻量是有一定規律的，通常，無機鹽類早強劑摻量為水泥重量的1%～2%，有機緩凝劑摻量為0.02%～0.1%，引氣劑摻量為0.002%～0.006%,普通減水劑為0.2%～0.3%，高效減水劑為0.5%～1.0%。同一種外加劑用于不同混凝土時的摻量也不盡相同，例如：高效減水劑用于蒸養混凝土時的摻量為0.3%～0.5%，用于普通混凝土的摻量為0.5%，用于流態混凝土的摻量為0.75%，用于高強混凝土的摻量為1.0%。硫酸鈉早強劑用于蒸養混凝土時的摻量為1.0%，摻量過高（2%），蒸養后的試體脹高、強度降低。硫酸鈉用于普通混凝土時的摻量為2.0%。氯化鈣早強劑用于普通混凝土的摻量為1.0%～2.0%，用于鋼筋混凝土的摻量為1%，用作防凍劑時的摻量為4.0%，摻量大于9.0%生成過多的水化氯鋁酸鹽而引起混凝土膨脹，當然使用氯鹽外加劑同時要摻阻銹劑。防凍劑摻量是由冰點決定的，但是復合防凍劑在相同負溫時摻量減少一半。復合高效減水劑在相同減水率時比單一高效減水劑摻量減少一半。后摻法不但使超塑化劑摻量減少，而且對其它外加劑也有同樣效果。

此外，水泥品種、細度、礦物組成、混合料等也影響外加劑的摻量。如對礦渣水泥高效減水劑摻量少于普通硅酸鹽水泥。比表面高、C3A含量高的水泥高效減水劑摻量應多一些。

從以上事實，可以認為決定外加劑摻量的因素如下：

（1）外加劑的品種；

（2）外加劑的應用范圍；

（3）水泥品種和活性、比表面積、礦物組成及混合料等；

（4）混凝土組成材料及其配合比、單位水泥用量、單位用水量等；

（5）外加劑復合方式（成分與比例）；

（6）外加摻入方法（同摻或后摻）。

總之，只要掌握了外加劑和混凝土的性能，以及它們變化的規律，并通過試驗確定外加劑的合理摻量，就可以以最少摻量獲得最好的技術經濟效果。

3.4 混凝土外加劑使用方法

使用外加劑時要仔細看產品說明書，其中包括使用方法。

3.4.1 配制和計量

成功地應用外加劑，取決于適宜的配制方法。若忽視這一點，就會嚴重地影響混凝土的性能與作用。

外加劑產品有兩種形式，即液體和固體粉末。液體產品以體積計量，有時生產廠提供可溶性固體產品，使用前配制成一定濃度的水溶液。固體產品中一般有載體，如粉煤灰、火山灰、礦粉等，其目的是使外加劑計量準確、分散均勻和防止受潮結塊。固體外加劑通常是以重量計量。使用外加劑時可采用人工、半自動和自動計量，根本要求是計量準確。外加劑摻量確定后，根據攪拌機一次攪拌混凝土體積和單位水泥用量折算外加劑的用量。超劑量地使用，不但造成浪費，影響混凝土的性能，而且還會造成工程事故。特別是摻緩凝劑、緩凝減水劑和引氣劑時一定要劑量準確，一旦超劑使用就使澆筑的混凝土不凝結硬化或嚴重降低強度，造成工程事故。另外，在同時使用兩種外加劑時應注意它們之間的相容性，特別是引氣劑應分別摻用。

3.4.2 混凝土的配合比

任何混凝土工程都要根據要求設計好混凝土配合比，因為摻用外加劑只能使質量好的混凝土變得更好，而不能使質量差的混凝土性能得到改善。所以要掌握摻外加劑的各種混凝土的配合比設計方法，使用符合標準的原材料進行試配和配合比調整，最后確定合適的配合比。

3.4.3 混凝土的養護

摻外加劑的混凝土，同普通混凝土一樣，要求正常的養護，現澆混凝土硬化早期要澆水養護。使用膨脹劑配制補償收縮、防滲抗裂混凝土更要重視早期的養護，否則達不到應有的效果。冬季施工使用防凍劑應當注意覆蓋保溫，使混凝土盡快達到臨界強度、防止凍害。

3.5 混凝土外加劑對蒸汽養護的適應性

在混凝土預制構件和制品生產中，通常采用蒸汽養護。其目的是加快模具的周轉，縮短生產周期，提高生產效率。蒸養加快了混凝土強度的增長，但對混凝土的內部結構有一定的破壞作用。因此后期強度比自然養護相同配比混凝土強度稍有降低。摻早強劑、早強減水劑或高效減水劑可以提高蒸養混凝土的強度、縮短蒸養時間，降低蒸養溫度和改善混凝土質量。

在許多資料中往往提到某種外加劑不適合養護，某種外加劑適合蒸養，這種講法是不科學的，至少是不夠嚴密的。因為外加劑對蒸汽養護的適應性是與一定的蒸養制度聯系在一起的。從這種觀點來講，任何外加劑在一定的蒸養制度下都適于蒸養。當然為了縮短混凝土構件和制品生產的周期，加快模具周轉，對蒸養混凝土的外加劑有基本要求：（1）促進初期強度；（2）緩凝性小；（3）減少單位用水量、減少析水；（4）改善混凝土表面，但又具備可修整性；（5）無引氣性，但是抗凍融性要求高時，需摻引氣劑。

蒸汽養護制度分為預養期（前置期）、升溫期、恒溫期和降溫期。

（1）預養期：設置預養期的目的是使混凝土具有一定的初期結構強度，借以抵抗外力或溫度應力引起的混凝土結構破壞。預養期是不可缺少的，在工藝允許的范圍內預養期越長越有利。

摻外加劑的混凝土成型后預養期的時間長短與外加劑的品種和摻量有關，一般不小于2 h。使用緩凝型減水劑、引氣劑時預養期還要長一些，而摻促凝劑、早強劑預養期可短一些。高效減水劑由于減水率高，也具有早強效果。如SM減水劑摻量0.2%～0.5%時，蒸養混凝土的預養期在1～2 h，摻量增加時，由于初期水化抑制作用加強，則預養期應當延長。此外，混凝土成型時如果拌合物溫度低（5～10℃），則預養期應當延長。

（2）升溫期：蒸汽養護升溫速度太快使得混凝土內部和表面產生較大的溫差，這樣會引起混凝土強度下降。通常升溫速度為15～20℃/h。使用木質素系減水劑，升溫速度慢一些，而與促凝劑或早強劑復合使用，升溫速度同無外加劑混凝土相同。摻早強劑和SM高效減水劑升溫速度快一些（25℃/h）。

升溫期長（或升溫速度慢）對蒸養混凝土強度的提高是有利的。經過充分預養的混凝土，升溫速度可以快一些。

（3）恒溫期：恒溫期的溫度與水泥品種有關，通常普通硅酸鹽水泥配制的混凝土蒸養時，最高恒溫溫度不超過80℃，而礦渣水泥混凝土溫度要高一些（90℃）。

不論摻或不摻外加劑，混凝土強度都隨恒溫期的延長而增加。在滿足設計強度要求的情況下，通過摻適當的外加劑，在較低溫度（40～60℃）下，進行蒸汽養護是十分有利的。一方面可提高混凝土質量（提高抗滲性、抗凍性等）；另一方面可節省能源。如摻SM減水劑在較低（60℃）溫度下，就可以得到很好的增強效果。

（4）降溫期：為了使混凝土在降溫過程中不致產生大的溫差應力，降溫速度不應太快。降溫期一般為2-3 h。摻外加劑的混凝土和普通混凝土以同樣方式降溫。

此外，蒸養結束，脫模之后，混凝土構件和制品還需一段時期的澆水養護，這對產品的質量的提高是有益的。

為了縮短蒸汽養護時間而采用外加劑時，其蒸養時間可按下式計算：

B=B0-αB0（R-R0）

式中：B——摻外加劑混凝土蒸養時間（包括預養期），h；

B0——不摻外加劑混凝土蒸養時間（包括預養期），h；

R——摻外加劑混凝土按規定制度蒸養后，在規定時間內的強度為28d強度的百分比；

R0——不摻外加劑混凝土按規定制度蒸養后，在規定時間內的強度為28d強度百分比；

α——蒸養后強度為28 d強度的50%、70%和85%時的系數值為0.02、0.03和0.04。

摻塑化—引氣劑的混凝土制造構件和制品的蒸養時間，對于普通硅酸鹽水泥混凝土不應小于11 h，對礦渣水泥和火山灰水泥混凝土不應小于14 h。摻用促凝劑或早強劑、早強減水劑、高效減水劑蒸養時間可縮短為2～3 h，或者蒸養制度不變的情況下，提高蒸養后混凝土強度20%～30%。

總而言之，必須掌握外加劑性能、明確使用目的和了解正確的使用方法，只有正確使用外加劑才能達到預期的效果。

4 結語

自從20世紀90年代以來，由于建筑工程發展的需要，如高層化、大荷載、大跨度、大體積、快速、經濟、節能以及特種工程的特性要求等，促使高強度混凝土迅速向高性能混凝土發展轉變，人們認為高性能混凝土必然成為跨世紀的新型高效建筑材料。在混凝土材料發展的同時，也促進了混凝土外加劑向高效、多功能和復合化的方向發展。采用復合外加劑能夠改善新拌混凝土的工作性（如增加流動性、減少流動性經時損失等）和穩定性（如勻質性、不離析、不泌水等），調節水泥的水化硬化過程（如延緩水化放熱、早強、高強等），改善混凝土的孔結構（如達到輕質、高強、耐久等），提高混凝土體積穩定性（補償收縮、防滲、抗裂等），以及賦予混凝土某些特殊性能。因此，高效、多功能、復合外加劑的開發與應用，必將推動混凝土制備工藝和新型混凝土材料的發展。