添加剂对水泥混凝土耐久性能的改善机理研究

张力川

摘要：旨主要围绕添加剂对水泥混凝土耐久性能的改善机理展开研究，通过分析水泥混凝土的组成和结构特点，以及矿物掺合料、缓凝剂和膨胀剂对水泥混凝土性能的影响，揭示了改善水泥混凝土耐久性的关键因素。分别探讨了矿物掺合料、缓凝剂和膨胀剂对水泥混凝土耐久性能的影响与作用机理，矿物掺合料影响了水泥混凝土的流动性、力学性能、抗渗性、抗冻性和收缩性能；缓凝剂对水泥混凝土的流动性、强度、干缩性能和抗渗性能产生影响；膨胀剂则影响了水泥混凝土的力学性能、抗渗性能、抗碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能以及抗冻融循环性能。

关键词：水泥混凝土 添加剂 耐久性能 矿物掺合料 缓凝剂 膨胀剂

中图分类号：TU528

Research on the Improvement Mechanism of Additives on the Durability Performance of Cement Concrete

ZHANG Lichuan

（Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang，Guizhou Province，550001 China）

Abstract： The paper mainly studies the improvement mechanism of additives on the durability of cement concrete. It reveals key factors to improve the durability of cement concrete by analyzing its composition and structural characteristics， as well as the effects of mineral admixtures， retarding agents and expanding agents on its properties. It discusses the effects and mechanisms of mineral admixtures， retarders and expanding agents on the durability of cement concrete， respectively： mineral admixtures affect its fluidity， mechanical properties， anti-permeability， anti-frost properties and shrinkage properties， retarders affect its fluidity， strength， dry shrinkage properties and anti-permeability， and expanding agents affect its mechanical properties， anti-permeability， anti-carbonation properties， sulphate erosion resistance properties and freezing-thawing cycle resistance properties.

Key Words： Cement concrete; Additive; Durability; Mineral admixture; Retarder; Expanding agent

水泥混凝土作为建筑材料中的重要组成部分，其耐久性能直接影响建筑物的使用寿命和安全性。研究水泥混凝土的耐久性能及其改良机制，对提高建筑材料的质量、增强抗久性能具有重要意义。其中，添加剂作为改良水泥混凝土性能的关键手段之一，对其耐久性能产生着重要的影响。因此，深入研究添加剂对水泥混凝土耐久性能的改善机理，对推动建筑材料领域的技术进步具有重要意义。

1 水泥混凝土的耐久性能概述

1.1 水泥混凝土的组成和结构特点

水泥混凝土是一种由水泥、骨料、水和外加剂按一定比例配制并在模具中凝结而成的人工石材。其主要组成包括水泥、骨料和水。水泥是水泥混凝土的胶凝材料，通过水化反应形成胶凝体，使骨料黏结成整体。骨料是水泥混凝土的骨架材料，它占混凝土总体积的70%～80%，承受着混凝土的主要荷载 [1]。水则是水泥水化反应的溶剂，其用量应控制在适宜范围内以保证混凝土的工作性能。

水泥混凝土的结构特点主要表现在其内部密实的骨料排列结构，以及水泥凝固后形成的均匀连续的水泥凝胶，这种结构使得水泥混凝土具有一定的抗压、抗拉性能，同时也决定了它的成型性、耐久性和抗渗性。

1.2 水泥混凝土的耐久性能

水泥混凝土的耐久性能是指其在长期使用和环境作用下不发生破坏、逐渐老化的能力。水泥混凝土的耐久性能受多种因素影响，包括外部环境、材料本身的性能以及施工质量等。常见的耐久性能指标包括抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性、抗碳化性等 [2]。

抗渗性是衡量水泥混凝土耐久性的重要指标之一，它直接关系着混凝土内部的结构是否稳固，抗压强度是否持久。水泥混凝土抗冻性是指在受到冻融循环作用下，混凝土不会出现明显的破坏和性能下降。抗硫酸盐侵蚀性和抗碳化性则分别指混凝土在硫酸盐和二氧化碳环境中的抵抗能力。

2 矿物掺合料对水泥混凝土耐久性的影响

2.1 矿物掺合料对水泥净浆流动性的影响

矿物掺合料在水泥混凝土中起到填充和颗粒间互相作用的作用，对水泥净浆的流动性有一定影响。首先，矿物掺合料的添加能够改变净浆的流动性质。矿物掺合料颗粒的形状、粒度分布和表面性质等因素会直接影响水泥净浆的流动性。例如：细度较高的矿物掺合料可以填充水泥胶凝体间的间隙，增加凝胶体系的内聚力，从而大幅度降低净浆的流动性。其次，矿物掺合料的添加会改变水泥净浆的水化特性。矿物掺合料中的活性成分参与了水泥水化反应，形成了新的水化产物，这些新的产物在水泥净浆中会影响水泥颗粒的分散状态和水泥胶凝体的形成过程，从而对净浆的流动性产生影响。

2.2 矿物掺合料对水泥胶砂力学性能的影响

矿物掺合料的添加对水泥胶砂的力学性能具有显著的影响。首先，矿物掺合料的添加可以改善水泥胶砂的力学强度。矿物掺合料中的颗粒填充了水泥胶砂颗粒间的间隙，增加了胶凝体系的整体密实性，并有助于形成更为连续和稳定的骨架结构。矿物掺合料中的活性成分还可以与水泥胶体发生化学反应，生成较强的水化产物，从而提高了胶砂的力学强度[3]。其次，矿物掺合料的加入对水泥胶砂的变形行为和稳定性也产生影响，矿物掺合料可以减缓水泥胶砂的胶结硬化速率，延缓变形的发展，提高胶砂的变形能力，通过与水泥净浆的共同作用，矿物掺合料也能改善水泥胶砂的物理和化学稳定性，减少因外界环境因素（如温度、湿度、酸碱性等）引起的力学性能衰减。

2.3 矿物掺合料对水泥混凝土抗渗性能的影响

矿物掺合料对水泥混凝土的抗渗性能具有显著影响。一方面，矿物掺合料的细微颗粒填充了水泥混凝土中的微观孔隙，降低了混凝土的孔隙率，从而减少了渗透介质（如水、化学物质等）通过混凝土的可能性，提高了抗渗性。另一方面，矿物掺合料中的活性成分参与水泥水化反应，促进水泥水化产物的生成，形成致密胶凝体，进一步改善了水泥混凝土的抗渗性能[4]。此外，矿物掺合料中的细微颗粒和水泥水化产物共同填充了混凝土的毛细孔道，减缓了水分和溶质的迁移速率，从而降低了混凝土的渗透性。

3 缓凝剂对水泥混凝土耐久性的影响

3.1 缓凝剂对水泥净浆流动性的影响

缓凝剂是一种常用的混凝土外加剂，其主要作用是延缓水泥净浆的凝结和硬化过程。缓凝剂的添加会对水泥净浆的流动性产生影响。首先，缓凝剂的加入能延缓水泥净浆的凝结时间，使凝结反应的进行更为缓慢，延长了凝胶体系的形成过程，增加了净浆的流动时间，延迟凝结作用使得水泥颗粒之间的黏结力得以减小，从而增加了净浆的流动性。其次，缓凝剂的加入影响水泥净浆的流变性质，如黏度、流动性等。具体而言，缓凝剂对净浆黏度的影响与其在净浆中的化学反应有关。缓凝剂中的化学成分对凝准体系的胶体状态起着重要作用，进而影响凝胶体系的黏度和流动性。

3.2 缓凝剂对水泥胶砂强度的影响

缓凝剂的添加对水泥胶砂的强度有一定影响。缓凝剂的主要作用是延缓水泥净浆的凝结和硬化，从而影响水泥胶砂的强度发展过程。首先，缓凝剂的添加会延缓水泥净浆的早期凝胶体系的形成。早期胶砂是水泥胶在充满水的胶砂体系中形成的，其中胶体团主要是由水泥水化产物和未水化的水泥颗粒构成。缓凝剂的添加减缓了水泥净浆的凝结速度，使早期胶砂形成的时间延迟，延迟凝结导致早期胶砂的强度发展缓慢，降低了胶砂的早期强度[5]。其次，缓凝剂的加入也会对水泥胶砂的长期强度发展产生影响。缓凝剂延缓了凝结和硬化过程，导致水泥胶砂的凝结时间更长，从而为凝结反应提供了更长的时间，促使水泥颗粒形成更为致密和结实的水化产物，使水泥胶砂具有更高的长期强度。

3.3 缓凝剂对水泥胶砂干缩性能的影响

缓凝剂的使用对水泥胶砂的干缩性能有一定的影响。干缩是指水泥混凝土在干燥过程中由于水分蒸发而导致的体积收缩。缓凝剂的添加会对水泥胶砂的干缩性能产生影响。首先，由于缓凝剂延缓了水泥净浆的凝结过程，有效延长了水泥胶砂的凝胶形成时间，减少了胶砂内的水分蒸发速度，降低了干缩的速率和程度。因此，缓凝剂的添加能在一定程度上减小水泥胶砂的干缩变形，减少由干缩引起的内部应力和裂缝的产生。其次，缓凝剂的使用也能改变水泥胶砂的孔隙结构和配位状态，从而影响其干缩性能。缓凝剂中的化学成分与水泥净浆中的水化产物发生化学反应，形成覆盖层和填充效应，减少了水泥胶砂内部的孔隙，减小了胶砂的孔隙率和孔径分布，使干缩过程中的内部应力分布更为均匀，降低了干缩引起的裂缝风险。

4 膨胀剂对水泥混凝土耐久性的影响

4.1 膨胀剂对水泥混凝土力学性能的影响

膨胀剂是一种混凝土外加剂，其主要作用是在混凝土中产生微小而稳定的气泡，从而改善混凝土的力学性能。膨胀剂的添加会对水泥混凝土的力学性能产生影响。首先，膨胀剂的加入能降低混凝土的密实度，增加混凝土的孔隙率。膨胀剂中的化学成分会与混凝土中的水化产物发生反应，产生稳定的气泡，从而增加混凝土中的孔隙，气泡在混凝土中形成了微观的孔隙结构，提高了混凝土的孔隙率，孔隙结构降低了混凝土的体积密度，使混凝土表现出较低的干密度和较高的孔容率 [6]。其次，膨胀剂的添加并不一定导致混凝土强度的降低，因为混凝土的力学性能也受到其他因素的影响，如水泥种类、填料性质等。实际应用中，可以根据具体工程要求和设计需要，通过合理调控膨胀剂的掺量和配方，以达到所需的力学性能。

4.2 膨胀剂对水泥混凝土抗渗性能的影响

膨胀剂是一种被广泛应用于混凝土中的添加剂，通过产生微小而稳定的气泡，改善混凝土的抗渗性能。首先，膨胀剂的加入增加混凝土中的孔隙率和孔径分布。膨胀剂中的化学成分和水泥净浆中的水化产物反应，产生稳定的气泡，从而形成微观的孔隙结构，孔隙可以阻碍渗透介质（如水分和溶液）的渗透，减少相对渗透率。其次，膨胀剂的使用能改善混凝土的孔隙连通性。由于膨胀剂引入的气泡在混凝土中形成连通的孔隙结构，使混凝土内的孔隙呈网状连通状态，孔隙结构通过毛细吸力效应阻碍渗透介质的移动，并减少渗透介质的流通路径，从而提高了混凝土的抗渗性能。

4.3 膨胀剂对水泥混凝土抗碳化性能的影响

膨胀剂的使用对水泥混凝土的抗碳化性能也产生了一定的影响。抗碳化性能是指混凝土抵抗二氧化碳侵入引起的碳化反应的能力。首先，膨胀剂的加入会增加混凝土的孔隙率和孔径分布，膨胀剂中的化学成分与水泥净浆中的水化产物反应，产生稳定的气泡，从而形成微观的孔隙结构，气泡在混凝土中形成连通的孔隙网络，减少混凝土的致密度，增加混凝土的孔隙率，孔隙结构降低二氧化碳物质的渗透速度，减少碳化物的生成，从而提高混凝土的抗碳化性能。其次，膨胀剂的使用还能影响混凝土的饱和度，膨胀剂的加入引入微小的气泡，形成孔隙结构，从而减少混凝土的自由水含量，可以降低混凝土的饱和度，减少二氧化碳侵入的可能性，提高了抗碳化性能。

5 结语

通过对添加剂对水泥混凝土耐久性能的研究，认识到添加剂对水泥混凝土性能的重要作用。矿物掺合料、缓凝剂和膨胀剂等添加剂在改善水泥混凝土耐久性方面具有显著效果。其中，矿物掺合料可以调节水泥混凝土的流动性、强度和抗渗性，缓凝剂可降低水泥混凝土的流动性、干缩性和抗渗性，膨胀剂可改善水泥混凝土的力学性能、抗渗性、抗碳化性和抗冻融循环性能。在未来的研究中，应进一步深入研究添加剂在水泥混凝土中的应用效果，优化添加剂的类型和用量，并探究其与其他材料的复合应用，以进一步提高水泥混凝土的耐久性能。

参考文献

[1] 冯忠居，陈思晓，徐浩，等.基于灰色系统理论的高寒盐沼泽区混凝土耐久性评估[J].交通运输工程学报，2018，18（6）：18-26.

[2] 荣华，王畅.基于微结构改造的水泥混凝土材料耐久性试验研究[J].水利水电技术，2019，50（11）：155-159.

[3] 陈飞宏，张云，梁军林，等.路面机制砂水泥混凝土的抗滑耐久性研究[J].混凝土，2021（10）：44-47.

[4] 梁学杰.环氧树脂改性水泥混凝土的制备及耐久性实验分析[J].功能材料，2023，54（3）：3217-3223.

[5] 张小平，刘燕，李新新，等.微膨胀型防腐剂对水泥混凝土耐久性的影响[J].新型建筑材料，2020，47（12）：15-18，34.

[6]郭庆林，宋照尚，叶其业，等.机制砂对机场道面水泥混凝土耐久性能的影响[J].混凝土，2023（2）：49-52，56.