混凝土外加劑對混凝土的影響分析

沙永鵬

（中鐵二十二局集團(tuán)第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

混凝土材料類型眾多，可塑性強(qiáng)，能夠滿足差異化的施工需求，因此在建筑、水利等領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。但實(shí)踐施工時，受工藝技術(shù)、材料性質(zhì)等的影響，混凝土自身麻面、蜂窩和爛邊等病害仍然較為常見，對工程美觀度、強(qiáng)度造成了一定影響，氣候嚴(yán)寒地區(qū)的項目施工也極為受限，亟需尋求可行的解決方案，而外加劑恰巧具備一定的改進(jìn)、適應(yīng)能力，可以為混凝土性能優(yōu)化提供有效路徑。

1 混凝土外加劑類型概述

混凝土隸屬于非均質(zhì)建筑材料，主要以水泥、瀝青等膠凝物質(zhì)融合砂、石等骨料組合而成，整體可塑性、耐久性較為可觀，但在實(shí)踐應(yīng)用環(huán)節(jié)也表現(xiàn)出了一定的局限性，比如抗凍性能較差、自重較大等，一度制約了混凝土施工質(zhì)量的提升。當(dāng)前伴隨科技手段的進(jìn)步，外加劑進(jìn)入工程建造研究、應(yīng)用領(lǐng)域，并以其用量少、見效快、性能優(yōu)吸引了大批用戶。從功能用途角度出發(fā)，常見的外加劑主要有4種類型，首先是減水劑、泵送劑一類，主要通過增大顆粒電位，提升電性斥力，從而降低新拌混凝土黏性，達(dá)到改善流動性的目的；其次是早強(qiáng)劑、緩凝劑一類，其可以結(jié)合不同施工場景需求，對混凝土凝結(jié)、硬化進(jìn)程進(jìn)行速度調(diào)整、控制；三是引水劑、防水劑一類，主要用于改良、提升混凝土防水、耐久性能，保障工程質(zhì)量；最后是防凍劑、著色劑一類，應(yīng)用場景針對性較強(qiáng)，可以改善混凝土防凍、美觀性能。

2 混凝土外加劑對混凝土性能的影響

2.1 減水劑產(chǎn)生的影響

2.1.1 減水劑作用原理

減水劑中存在較多表面活性劑，在維持坍落度指標(biāo)的基礎(chǔ)上，能夠明顯優(yōu)化新拌混凝土塑化作用，同時減少單位體積用水量，提升抗?jié)B性能。其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在三方面。首先是分散作用，在混凝土整體結(jié)構(gòu)中，水泥是關(guān)鍵的膠凝材料，當(dāng)施工進(jìn)入拌合環(huán)節(jié)后，水分周圍會被絮凝狀的顆粒充分包裹，自由度下降，無法充分參與流動、潤滑工作，拌合物流動性由此下降。減水劑摻入后，活性劑分子定向吸附作用被充分發(fā)揮出來，與水泥顆粒緊密結(jié)合，所有顆粒表面被附上同種電荷，并在靜電原理作用下，形成排斥、分散趨勢，絮凝、包裹結(jié)構(gòu)被破壞，內(nèi)部水分逸出，拌合物整體流動性改善。其次是潤滑作用。對于萘磺酸鹽等減水劑來說，其成分具有較強(qiáng)的親水性，當(dāng)其成分附著于水泥顆粒表面時，會與水分子相互吸引、結(jié)合，成為溶劑化水薄膜，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且潤滑性能良好，可以顯著減小顆粒之間的滑動阻力，從而改善混凝土流動性。最后是空間位阻作用。在減水劑結(jié)構(gòu)中，部分支鏈親水性良好，其在水溶液中舒展、擴(kuò)張，在水泥顆粒表面形成吸附層，該吸附層較為立體，且具有一定厚度，當(dāng)顆?？拷鼤r，這種吸附層就會重疊，產(chǎn)生空間位阻效應(yīng)，形成相斥動力，將混凝土坍落度維持在穩(wěn)定水平上。

2.1.2 普通減水劑

普通減水劑指標(biāo)要求相對較低，大致可節(jié)省5%的用水量，將之應(yīng)用于齡期較新的混凝土，抗壓強(qiáng)度會明顯改善，至少可達(dá)原先的1.1倍，對于齡期28 d上下的混凝土材料來說，也能夠提升5%左右的強(qiáng)度。木質(zhì)素磺酸鈣減水劑是其中較為常見的代表性類別，木質(zhì)素本身自然賦存量較大，主要原材料為草木、木本植物等，通過特定工藝處理，可以從中提取出大量的硫酸鹽木素、堿木素等，性能穩(wěn)定、成本較低，因此獲得了大規(guī)模的生產(chǎn)、應(yīng)用。除普通混凝土外，還可以用于大體積混凝土、泵送混凝土等場景中，由于其自身不含氯鹽，不會對鋼筋鈍化膜產(chǎn)生威脅，因此也可在預(yù)制、鋼筋混凝土中使用，用量最好控制在0.2%-0.5%，若有單獨(dú)使用的需要，用量還應(yīng)適當(dāng)降低，以0.25%為佳，不能超過0.3%。同時，普通減水劑引氣量較大，可能具備一定的緩凝性能，因此在蒸養(yǎng)混凝土中，要嚴(yán)格禁止單獨(dú)使用?；炷恋木從c溫度關(guān)聯(lián)較大，當(dāng)施工、養(yǎng)護(hù)溫度較低時，材料早期強(qiáng)度低、凝結(jié)速度減緩的狀況就會異常明顯，因此普通減水劑使用時，應(yīng)當(dāng)盡量選在5℃以上的天氣，施工完成后，也要重點(diǎn)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止水分過度蒸發(fā)之后，混凝土強(qiáng)度受到不良影響，可以噴涂養(yǎng)護(hù)劑，也可加蓋塑料薄膜。

2.1.3 高效減水劑

高效減水劑指標(biāo)要求相對較高，在混凝土施工中，減水量通?？蛇_(dá)到10%以上，從而顯著改善混凝土流動性，對于C30混凝土來說，齡期較新的狀況下，強(qiáng)度可以提高69 MPa，即使面對齡期28 d左右的混凝土，強(qiáng)度也能提升至87 MPa左右。高效減水劑類別較多，聚烷基芳基磺酸鹽類、密胺類減水劑均是較為常見的類型，將之應(yīng)用于混凝土施工中，主要可產(chǎn)生以下幾個方面的影響。

首先是改善新拌混凝土坍落度。坍落度是衡量混凝土性能時的常用指標(biāo)，其測定數(shù)值過高，會直接影響混凝土強(qiáng)度，給工程項目帶來質(zhì)量隱患；測定數(shù)值過低時，又無法適應(yīng)泵送、長距離運(yùn)輸場景，這種矛盾增加了混凝土配比控制的難度，但高效減水劑引入后，混凝土離析、泌水的狀況可以明顯減少，坍落度得到優(yōu)化。高效減水劑性能的發(fā)揮與諸多因素有關(guān)，分子大小、結(jié)構(gòu)類型和溶液表面張力等，均會影響其綜合效用，萘系、三聚氰胺系高效減水劑應(yīng)用時，可以加快混凝土凝結(jié)時間，而氨基磺酸鹽類減水劑應(yīng)用時，則會減緩主體凝結(jié)時間。

其次是影響混凝土硬化、耐用性能。加入高效減水劑后，水泥水化程度會明顯提升，對于已經(jīng)硬化的漿體來說，早期的抗壓、抗彎強(qiáng)度上升，使得混凝土顯微結(jié)構(gòu)更加優(yōu)質(zhì)，在高效減水劑的影響下，混凝土收縮值也發(fā)生了一定改變，水泥需求量繼而減少，有助于達(dá)成環(huán)保、節(jié)能施工目標(biāo)，需要注意的是，混凝土伸縮值對其自身質(zhì)量有較大影響，變化幅度通常不會超過1×10-4。高效減水劑減水量較大，同時還具有微弱的排氣性能，結(jié)構(gòu)中水分、氣體的減少使得混凝土抗凍、抗融性能都得到了一定程度的優(yōu)化，對于強(qiáng)酸腐蝕情況，也能有一定的抵抗能力。

最后是影響鋼筋抗腐蝕性能。傳統(tǒng)施工模式中，普通混凝土與鋼筋直接接觸，伴隨時間推移，外界水分極易沿著混凝土縫隙入侵，對鋼筋造成侵蝕。腐蝕后的鋼筋部分位置發(fā)生裂縫，部分位置則膨脹、變大，對外殼混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓，嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生崩脫的現(xiàn)象。應(yīng)用高效減水劑后，混凝土與鋼筋的粘合度直線提升，二者間隙幾乎可以忽略，以C30混凝土為例，其與直滑鋼筋結(jié)合7 d后，粘結(jié)力可從1.2 MPa提升至8.5 MPa，在彎曲鋼筋實(shí)驗(yàn)場景中，提升幅度則為15～27.5 MPa，實(shí)踐追蹤檢測后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用高效減水劑后，混凝土內(nèi)部鋼筋在4 a以內(nèi)，均未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，充分驗(yàn)證了高效減水劑的優(yōu)良性能。

2.2 引氣劑產(chǎn)生的影響

引氣劑成分中同樣含有表面活性劑，憎水性較為明顯，將其加入混凝土原材料后，可以產(chǎn)生較多微小氣泡，直徑大約為20～1 000μm，這些氣泡會均勻、穩(wěn)定地存在于混凝土結(jié)構(gòu)之中，從而改善其穩(wěn)定性、和易性。引氣劑的作用機(jī)理主要可從以下方面剖析。首先是界面活性作用。常規(guī)混凝土拌合過程中，雖然也會裹挾少量氣泡，但穩(wěn)定性較差，并不會對混凝土性能產(chǎn)生明顯改變。使用引氣劑后，其分子顆粒會迅速發(fā)揮物理吸附作用，從水泥-水界面上看，親水基與水分子結(jié)合，憎水基則與水泥顆粒結(jié)合；從水-氣界面上看，親水基同樣靠近水分子，而憎水基則指向空氣，所有物質(zhì)均有固定位置、布局，因此自由度大幅下降，有助于形成穩(wěn)定的活性界面，氣泡引入也就顯得更為容易。其次是氣泡作用。氣泡實(shí)際上代表著界面面積的擴(kuò)張，但液體表面本身張力所限，會存在一種天然、自動的縮小趨勢，氣泡產(chǎn)生后，應(yīng)力相互拉扯，氣泡自然縮小、破裂，但加入引氣劑后，其分子顆粒吸附于氣-液活性界面之上，在一定程度上抵消了表面張力，因此氣泡較為輕松。最后是穩(wěn)泡作用。相關(guān)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，部分表面活性劑作用于拌合混凝土?xí)r，同樣會引入大量氣泡，但經(jīng)過靜止、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)后，絕大多數(shù)氣泡都會消失，而引氣劑卻可以在氣泡周圍形成穩(wěn)固用膜，該膜結(jié)構(gòu)具有一定的彈性、強(qiáng)度，可以牢牢拴住氣泡結(jié)構(gòu)，防止其流失。

引氣劑應(yīng)用優(yōu)勢良多，對于新拌階段混凝土來說，能夠有效改善坍落度，提升體可塑性、流動性，為后續(xù)施工奠定良好基礎(chǔ)。泌水和離析是混凝土應(yīng)用、運(yùn)輸過程中較為常見的問題，混凝土中水分流失、材料粘聚性不足不僅會影響振搗施工質(zhì)量，致使混凝土表面出現(xiàn)蜂窩現(xiàn)象，還會降低混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。而加入引氣劑后，氣-液界面更加穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生離析、泌水的現(xiàn)象，有助于提升混凝土的均質(zhì)性，由于氣泡穩(wěn)固、均勻地存在于混凝土之中，因此整體抗折性能、柔韌性能都得到了加強(qiáng)，熱擴(kuò)散系數(shù)降低，即使在野外環(huán)境中，氣溫影響也大幅削減，對于道路、建筑等暴露在外的混凝土結(jié)構(gòu)來說，耐久性更加優(yōu)良。在引氣劑使用環(huán)節(jié)，可以適當(dāng)選用機(jī)械拌合方式，以保證拌合均勻性，注意嚴(yán)格控制拌合時長，時間不足、過長均可能導(dǎo)致混凝土含氣量不足。

2.3 早強(qiáng)劑和緩凝劑產(chǎn)生的影響

早強(qiáng)劑可以顯著提升水化反應(yīng)速率，增強(qiáng)混凝土早期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通常用于-5℃以下的場景中，可以使混凝土盡早脫模，加快模板流轉(zhuǎn)速度，后期養(yǎng)護(hù)壓力也被大幅緩解，因此可用于應(yīng)急修補(bǔ)。緩凝劑與其性能恰好相反，主要用于抑制水化反應(yīng)速度，防止混凝土快速凝結(jié)，通常用于5℃以上的場景中。

3 混凝土外加劑使用要點(diǎn)探析

混凝土外加劑雖然優(yōu)點(diǎn)眾多，能夠在經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，最大限度優(yōu)化混凝土各方面性能，使之符合建設(shè)、使用要求，但實(shí)踐中濫用、錯用的狀況也十分多見，比如用量過多、種類選擇不當(dāng)?shù)龋鶗绊懟炷磷罱K質(zhì)量，造成強(qiáng)度降低、結(jié)合不緊密等問題。同時，部分外加劑本身具有一定的污染性，比如高堿混凝土膨脹劑、含氨外加劑等，當(dāng)周圍溫度較高時，其中的有害物質(zhì)會逸散出來，影響使用者身體健康，因此外加劑使用過程中，要盡可能從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和效能等各方面進(jìn)行考量，最大程度發(fā)揮其積極作用，規(guī)避不良影響。

3.1 優(yōu)化外加劑品種選擇

外加劑品種較多，除緩凝劑、減水劑等大類，每個類別中還涵蓋了眾多子類別，其成分結(jié)構(gòu)、作用效能均存在較大差異，應(yīng)用環(huán)節(jié)要立足工程項目性質(zhì)、混凝土實(shí)際用途，進(jìn)行綜合考量和比選。在眾多減水劑品類中，改性萘系減水劑可以顯著緩和水化發(fā)熱，因此在大體積混凝土施工中，具有較高的適用性；聚狡酸類引氣劑應(yīng)用中，縮減能力相對更強(qiáng)，在耐久性要求較高的工程中，可以適當(dāng)考慮；聚羧酸類外加劑在試驗(yàn)、應(yīng)用環(huán)節(jié)中，則表現(xiàn)出了更強(qiáng)的減水率，適用于高強(qiáng)混凝土施工場景。對于不同種類引氣劑來說，引入、產(chǎn)生的氣泡直徑是存在較大差異的，制作出的混凝土結(jié)構(gòu)抗凍、抗彎折能力均是不同的，因此品種選用時，要盡可能選用產(chǎn)生氣泡直徑較小、較均勻的制劑。同時，外加劑與膠結(jié)料之間存在相容性的問題，當(dāng)采用硬石膏、氟石膏等材料時，要額外關(guān)注品種選取問題，若選用的減水劑中含有木鈣，可能引發(fā)假凝、速凝等問題；在應(yīng)用引氣劑時，同樣要避免與氯化鈣一同使用，該物質(zhì)具有一定的消泡作用，會影響引氣劑效用的發(fā)揮。施工建設(shè)中，有時需要采用復(fù)合外加劑，此時同樣要考慮相容性，比如應(yīng)用高效減水劑時，若同時使用木鈣，就可能導(dǎo)致沉淀產(chǎn)生，從而影響效用發(fā)揮。

3.2 合理確定外加劑摻量

盡管外加劑優(yōu)勢眾多，能夠在最為經(jīng)濟(jì)適用的基礎(chǔ)上，改善和優(yōu)化混凝土性能，但用量不當(dāng)同樣會造成惡劣影響，以土建工程中混凝土灌注樁施工為例，樁體本身需要承載較大應(yīng)力，因此混凝土、鋼筋籠之間，應(yīng)當(dāng)具有良好的密封性和結(jié)合性，但實(shí)踐中部分主體為提升混凝土硬度，緩解收縮徐變造成的裂縫問題，有時會加大引氣劑用量，這很有可能導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部彈性飽和，無法與鋼筋緊密連接，從而形成開放式裂口，給工程地基埋下巨大的安全隱患。引氣劑適量使用可以優(yōu)化混凝土和易性，減少泌水、離析的概率，同時，其引入的氣泡也會占據(jù)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間，大量使用極有可能導(dǎo)致整體強(qiáng)度的降低，因此其用量必須嚴(yán)格控制。外加劑摻量與混凝土性質(zhì)、工程用途有很大關(guān)聯(lián)，對于C50混凝土來說，其水灰比通常為0.3，水膠比可能更低，因此外加劑摻量控制在4%為宜，C30混凝土施工中，摻量則要適當(dāng)降低，控制在2.5%左右。

3.3 改進(jìn)外加劑摻入方式

除品種、用量的選擇外，外加劑摻入方式也會影響其效用的發(fā)揮，當(dāng)前較為常見的摻入方案主要有以下幾種。首先是先摻法。水泥作為膠結(jié)物質(zhì)，最先與外機(jī)粉劑相混合，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步添加集料、清水，完成拌合作業(yè)，這種方式之下，外加劑分散會更加徹底、均勻，分子吸附于水泥顆粒表面后，很可能在持續(xù)的攪拌中發(fā)生脫離，從而增加外加劑用量。其次是后摻法。這種方式中，水泥、集料以及清水已經(jīng)提前開始拌合，在操作持續(xù)一段時間，保證拌合均勻后，再加入外加劑，以加水時間為標(biāo)準(zhǔn)，大約滯后1～2 min。這種方式可以在短期內(nèi)保障液相中外加劑的濃度，降低損耗。再次是同摻法。即將水泥、骨料等原材料，與調(diào)制好的外加劑一同置于攪拌機(jī)中，也可采用外加劑與水提前混合，并投放至原材料中的方式，這種方案中，外加劑全程跟隨水化反應(yīng)的發(fā)生，水泥顆粒表面可以更好地吸附制劑，從而發(fā)揮減水、引氣等效用。最后是分次加入法。這種方式貫穿拌合、運(yùn)輸?shù)恼麄€環(huán)節(jié)，主要以時間為線索，間隔固定周期加入外加劑，可以使制劑濃度始終維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)上。摻入方式與外加劑種類有很大關(guān)聯(lián)，在使用萘系高效減水劑時，活性劑會對C3A、C4AF等礦物成分進(jìn)行選擇性吸附，因此采用后摻法更好；而應(yīng)用木鈣類減水劑時，其作用機(jī)理為大分子保護(hù)，故而摻加方式影響并不明顯，在實(shí)踐中，要統(tǒng)一經(jīng)過嚴(yán)格的試配、檢測來確定最佳方案。

4 結(jié)論

綜上所述，外加劑摻加成本低廉、見效迅速，在混凝土施工實(shí)踐中，有著極為廣泛的應(yīng)用，其中減水劑能夠有效減少工程用水總量，引氣劑則可以規(guī)避離析、泌水等不良狀況，緩和劑、早強(qiáng)劑可以控制混凝土硬化、凝結(jié)進(jìn)程，在應(yīng)用時要立足工程實(shí)際，對不同外加劑進(jìn)行合理選擇、搭配，并且通過科學(xué)、系統(tǒng)的試驗(yàn)、分析確定摻加量、摻加方式，從而為混凝土施工質(zhì)量的提升奠定穩(wěn)固基礎(chǔ)。