浅谈混凝土外加剂及其应用

马裕添

（汕头市达濠市政建设有限公司，广东汕头515041）

0 前言

自从1824年波特兰水泥问世以来，混凝土与钢筋混凝土应用愈来愈广泛，混凝土科学技术也不断取得进步。上世纪30年代开始采用的以引气剂与塑化剂为主的混凝土外加剂技术，对优质混凝土的四大要素，即耐久性、强度、工作性与经济性，产生了十分明显甚至是决定性的作用。时至今日，外加剂已成为现代混凝土不可缺少的组成部分，掺加优质外加剂已成为混凝土改性的一条必经的技术途径。

1 混凝土外加剂简述

1.1 混凝土外加剂的定义和分类

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，掺量不大于水泥质量的5%。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。

（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。

1.2 使用外加剂的主要目的

1.2.1 改善新拌混凝土、砂浆、水泥浆的性能

（1）不增加用水量而提高和易性，或和易性相同时减少用水量；

（2）缩短或延长初凝时间；

（3）减少或避免沉陷或产生微小膨胀；

（4）改变泌水率或泌水量，或两者同时改变；

（5）减小离析；

（6）改善渗透性与可泵性；

（7）减小坍落度损失率。

1.2.2 改善硬化混凝土、砂浆、水泥浆的性能

（1）延缓或减少水化热；

（2）加速早期强度增长率；

（3）提高强度（压、拉或弯曲）；

（4）提高耐久性或抵抗严酷的暴露条件，包括防冻盐的应用；

（5）减小毛细管水的流动；

（6）降低液相渗透力；

（7）控制碱与某些集料成分反应产生的膨胀；（8）配制多孔混凝土；

（9）提高混凝土与钢筋的粘结力；（10）增加新老混凝土粘结力；

（11）改善抗冲击与抗磨损的能力；

（12）阻止埋在混凝土中金属的锈蚀；

（13）配制彩色混凝土或砂浆。

2 混凝土外加剂应用中的问题

混凝土外加剂用于提高新拌混凝土的工作性，改善工艺性能，强化生产过程。同时改善和提高硬化混凝土的物理力学性能，提高建筑物或构件的质量和耐久性。此外，还可以节约水泥，降低成本，加快工程进度。一种外加剂只具备一种或某几种性能，即使应用高效能多功能复合外加剂也不一定能完全满足实际混凝土工程的技术要求。因此，必须根据混凝土使用要求，正确地选择和应用外加剂才能取得较好的技术经济效果。

目前，世界上许多国家对混凝土外加剂制订了相应的标准和规范，明确规定了外加剂产品的质量要求，掺外加剂混凝土的性能指标，以及各种外加剂的适用范围，这样为正确使用外加剂提供了指导性的依据。另外，生产外加剂的厂商也备有外加剂产品的性能和使用说明书，对该产品的正确使用提供参考资料。这些国家标准和规范的制定推动了混凝土外加剂的生产和应用，并且形成了新兴的产业。

我国水泥产量居世界首位，而且水泥产品具有多样性，同一种水泥的质量和标号差别也很大，这样给外加剂的推广应用带来许多困难。例如，同一种外加剂用于不同厂家生产的同类水泥配制的混凝土，会得出不同的效果，有时甚至得到相反的结果。因此，针对我国水泥品种复杂的情况，外加剂对水泥的适用性（相容性）就成为突出的问题。要正确地使用外加剂，必须掌握影响混凝土性能的基本规律。

3 混凝土外加剂的选择、掺量和使用方法

混凝土外加剂是天然或合成的化学物质，可以是单一或复合组分。使用外加剂时必须根据工程对混凝土性能要求选择合适的外加剂，注意外加剂的掺量和使用方法。

3.1 混凝土外加剂的基本性能

混凝土外加剂是一种工业产品，对其基本性能的要求是：

（1）能改变混凝土一种或某几种性能，而不产生副作用；

（2）在运输和贮存中保持良好的匀质性和稳定性；

（3）在早期或后期对混凝土中的钢筋及其它预埋件没有损害作用；

（4）使用安全，对环境无污染。

国外，混凝土外加剂90%是以液体产品出售，我国大部分是固体粉状产品。使用固体产品的掺量以水泥重量百分数表示，而使用液体产品的掺量以体积计量，即每100 kg水泥掺用液体外加剂的毫升数。任何一种外加剂产品都应当符合国家标准或行业标准对产品的匀质性和其混凝土性能的要求。

3.2 混凝土外加剂的选择

混凝土外加剂的选择根据工程设计对混凝土性能的要求而定，如强度标号、抗渗性、抗冻融性、耐久性、弹性模量等物理力学性能，以及施工工艺、施工季节（冬季或夏季施工）、浇筑的部位和体积等。另外，还要考虑实际工程提供的原材料：水泥品种和标号、砂石质量等。在此基础上选择符合使用要求的外加剂品种和牌号。

在选择外加剂时，必须采用实际工程用的原材料进行混凝土试配试验，并且掺用不同厂家生产的同一种外加剂，根据试配结果从中确定技术经济最合适的外加剂。

试验评定外加剂的理由是：

（1）检测外加剂是否符合使用要求；

（2）根据施工现场条件和现场使用的材料来评定外加剂对混凝土性能的影响；

（3）检查每批产品的匀质性和稳定性；

（4）生产厂家提供的资料是否符合试配检验结果。

选择外加剂的根本原则：第一是性能符合工程使用要求；第二是经济的合理性。在某些情况下，决定外加剂在混凝土工程中使用的主要因素是外加剂的成本，这就要求生产厂家根据平时使用外加剂的经济效果开发和生产新产品。

3.3 混凝土外加剂的掺量

外加剂的最佳掺量是获得最好的技术效果和经济效果的重要因素。外加剂的最佳掺量是通过混凝土试配结果确定的，根本的原则是在满足混凝土性能要求的前提下，采用最低掺量。生产厂家的产品说明书中提供的是某种外加剂使用时的掺量范围，而使用单位必须通过混凝土试配确定外加剂的合理掺量。

不同类型的外加剂的掺量是有一定规律的，通常，无机盐类早强剂掺量为水泥重量的1%～2%，有机缓凝剂掺量为0.02%～0.1%，引气剂掺量为0.002%～0.006%,普通减水剂为0.2%～0.3%，高效减水剂为0.5%～1.0%。同一种外加剂用于不同混凝土时的掺量也不尽相同，例如：高效减水剂用于蒸养混凝土时的掺量为0.3%～0.5%，用于普通混凝土的掺量为0.5%，用于流态混凝土的掺量为0.75%，用于高强混凝土的掺量为1.0%。硫酸钠早强剂用于蒸养混凝土时的掺量为1.0%，掺量过高（2%），蒸养后的试体胀高、强度降低。硫酸钠用于普通混凝土时的掺量为2.0%。氯化钙早强剂用于普通混凝土的掺量为1.0%～2.0%，用于钢筋混凝土的掺量为1%，用作防冻剂时的掺量为4.0%，掺量大于9.0%生成过多的水化氯铝酸盐而引起混凝土膨胀，当然使用氯盐外加剂同时要掺阻锈剂。防冻剂掺量是由冰点决定的，但是复合防冻剂在相同负温时掺量减少一半。复合高效减水剂在相同减水率时比单一高效减水剂掺量减少一半。后掺法不但使超塑化剂掺量减少，而且对其它外加剂也有同样效果。

此外，水泥品种、细度、矿物组成、混合料等也影响外加剂的掺量。如对矿渣水泥高效减水剂掺量少于普通硅酸盐水泥。比表面高、C3A含量高的水泥高效减水剂掺量应多一些。

从以上事实，可以认为决定外加剂掺量的因素如下：

（1）外加剂的品种；

（2）外加剂的应用范围；

（3）水泥品种和活性、比表面积、矿物组成及混合料等；

（4）混凝土组成材料及其配合比、单位水泥用量、单位用水量等；

（5）外加剂复合方式（成分与比例）；

（6）外加掺入方法（同掺或后掺）。

总之，只要掌握了外加剂和混凝土的性能，以及它们变化的规律，并通过试验确定外加剂的合理掺量，就可以以最少掺量获得最好的技术经济效果。

3.4 混凝土外加剂使用方法

使用外加剂时要仔细看产品说明书，其中包括使用方法。

3.4.1 配制和计量

成功地应用外加剂，取决于适宜的配制方法。若忽视这一点，就会严重地影响混凝土的性能与作用。

外加剂产品有两种形式，即液体和固体粉末。液体产品以体积计量，有时生产厂提供可溶性固体产品，使用前配制成一定浓度的水溶液。固体产品中一般有载体，如粉煤灰、火山灰、矿粉等，其目的是使外加剂计量准确、分散均匀和防止受潮结块。固体外加剂通常是以重量计量。使用外加剂时可采用人工、半自动和自动计量，根本要求是计量准确。外加剂掺量确定后，根据搅拌机一次搅拌混凝土体积和单位水泥用量折算外加剂的用量。超剂量地使用，不但造成浪费，影响混凝土的性能，而且还会造成工程事故。特别是掺缓凝剂、缓凝减水剂和引气剂时一定要剂量准确，一旦超剂使用就使浇筑的混凝土不凝结硬化或严重降低强度，造成工程事故。另外，在同时使用两种外加剂时应注意它们之间的相容性，特别是引气剂应分别掺用。

3.4.2 混凝土的配合比

任何混凝土工程都要根据要求设计好混凝土配合比，因为掺用外加剂只能使质量好的混凝土变得更好，而不能使质量差的混凝土性能得到改善。所以要掌握掺外加剂的各种混凝土的配合比设计方法，使用符合标准的原材料进行试配和配合比调整，最后确定合适的配合比。

3.4.3 混凝土的养护

掺外加剂的混凝土，同普通混凝土一样，要求正常的养护，现浇混凝土硬化早期要浇水养护。使用膨胀剂配制补偿收缩、防渗抗裂混凝土更要重视早期的养护，否则达不到应有的效果。冬季施工使用防冻剂应当注意覆盖保温，使混凝土尽快达到临界强度、防止冻害。

3.5 混凝土外加剂对蒸汽养护的适应性

在混凝土预制构件和制品生产中，通常采用蒸汽养护。其目的是加快模具的周转，缩短生产周期，提高生产效率。蒸养加快了混凝土强度的增长，但对混凝土的内部结构有一定的破坏作用。因此后期强度比自然养护相同配比混凝土强度稍有降低。掺早强剂、早强减水剂或高效减水剂可以提高蒸养混凝土的强度、缩短蒸养时间，降低蒸养温度和改善混凝土质量。

在许多资料中往往提到某种外加剂不适合养护，某种外加剂适合蒸养，这种讲法是不科学的，至少是不够严密的。因为外加剂对蒸汽养护的适应性是与一定的蒸养制度联系在一起的。从这种观点来讲，任何外加剂在一定的蒸养制度下都适于蒸养。当然为了缩短混凝土构件和制品生产的周期，加快模具周转，对蒸养混凝土的外加剂有基本要求：（1）促进初期强度；（2）缓凝性小；（3）减少单位用水量、减少析水；（4）改善混凝土表面，但又具备可修整性；（5）无引气性，但是抗冻融性要求高时，需掺引气剂。

蒸汽养护制度分为预养期（前置期）、升温期、恒温期和降温期。

（1）预养期：设置预养期的目的是使混凝土具有一定的初期结构强度，借以抵抗外力或温度应力引起的混凝土结构破坏。预养期是不可缺少的，在工艺允许的范围内预养期越长越有利。

掺外加剂的混凝土成型后预养期的时间长短与外加剂的品种和掺量有关，一般不小于2 h。使用缓凝型减水剂、引气剂时预养期还要长一些，而掺促凝剂、早强剂预养期可短一些。高效减水剂由于减水率高，也具有早强效果。如SM减水剂掺量0.2%～0.5%时，蒸养混凝土的预养期在1～2 h，掺量增加时，由于初期水化抑制作用加强，则预养期应当延长。此外，混凝土成型时如果拌合物温度低（5～10℃），则预养期应当延长。

（2）升温期：蒸汽养护升温速度太快使得混凝土内部和表面产生较大的温差，这样会引起混凝土强度下降。通常升温速度为15～20℃/h。使用木质素系减水剂，升温速度慢一些，而与促凝剂或早强剂复合使用，升温速度同无外加剂混凝土相同。掺早强剂和SM高效减水剂升温速度快一些（25℃/h）。

升温期长（或升温速度慢）对蒸养混凝土强度的提高是有利的。经过充分预养的混凝土，升温速度可以快一些。

（3）恒温期：恒温期的温度与水泥品种有关，通常普通硅酸盐水泥配制的混凝土蒸养时，最高恒温温度不超过80℃，而矿渣水泥混凝土温度要高一些（90℃）。

不论掺或不掺外加剂，混凝土强度都随恒温期的延长而增加。在满足设计强度要求的情况下，通过掺适当的外加剂，在较低温度（40～60℃）下，进行蒸汽养护是十分有利的。一方面可提高混凝土质量（提高抗渗性、抗冻性等）；另一方面可节省能源。如掺SM减水剂在较低（60℃）温度下，就可以得到很好的增强效果。

（4）降温期：为了使混凝土在降温过程中不致产生大的温差应力，降温速度不应太快。降温期一般为2-3 h。掺外加剂的混凝土和普通混凝土以同样方式降温。

此外，蒸养结束，脱模之后，混凝土构件和制品还需一段时期的浇水养护，这对产品的质量的提高是有益的。

为了缩短蒸汽养护时间而采用外加剂时，其蒸养时间可按下式计算：

B=B0-αB0（R-R0）

式中：B——掺外加剂混凝土蒸养时间（包括预养期），h；

B0——不掺外加剂混凝土蒸养时间（包括预养期），h；

R——掺外加剂混凝土按规定制度蒸养后，在规定时间内的强度为28d强度的百分比；

R0——不掺外加剂混凝土按规定制度蒸养后，在规定时间内的强度为28d强度百分比；

α——蒸养后强度为28 d强度的50%、70%和85%时的系数值为0.02、0.03和0.04。

掺塑化—引气剂的混凝土制造构件和制品的蒸养时间，对于普通硅酸盐水泥混凝土不应小于11 h，对矿渣水泥和火山灰水泥混凝土不应小于14 h。掺用促凝剂或早强剂、早强减水剂、高效减水剂蒸养时间可缩短为2～3 h，或者蒸养制度不变的情况下，提高蒸养后混凝土强度20%～30%。

总而言之，必须掌握外加剂性能、明确使用目的和了解正确的使用方法，只有正确使用外加剂才能达到预期的效果。

4 结语

自从20世纪90年代以来，由于建筑工程发展的需要，如高层化、大荷载、大跨度、大体积、快速、经济、节能以及特种工程的特性要求等，促使高强度混凝土迅速向高性能混凝土发展转变，人们认为高性能混凝土必然成为跨世纪的新型高效建筑材料。在混凝土材料发展的同时，也促进了混凝土外加剂向高效、多功能和复合化的方向发展。采用复合外加剂能够改善新拌混凝土的工作性（如增加流动性、减少流动性经时损失等）和稳定性（如匀质性、不离析、不泌水等），调节水泥的水化硬化过程（如延缓水化放热、早强、高强等），改善混凝土的孔结构（如达到轻质、高强、耐久等），提高混凝土体积稳定性（补偿收缩、防渗、抗裂等），以及赋予混凝土某些特殊性能。因此，高效、多功能、复合外加剂的开发与应用，必将推动混凝土制备工艺和新型混凝土材料的发展。