五、混凝土外加剂(选)

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1、五、混凝土外加剂 Admixtures for Concrete,基本概念,外加剂在混凝土中加入除四种主要组分以外的其它外加材料。 种类化学外加剂和矿物外加剂： 矿物外加剂：掺加量在水泥质量5%以上的称为掺和料； 化学外加剂：掺加量在水泥质量5%以下的称为外加剂。,学习要求掌握外加剂的重要种类 物理化学特征 作用机理 应用及其负作用,为什么要使用外加剂？,单纯依靠调节水、水泥和骨料用量，难以解决下列技术问题 用水量与良好和易性间的矛盾； 施工操作对凝结时间、放热速度、强度增长的要求； 耐久性对低连通孔隙率的要求。 外加剂是解决上述问题，改善混凝土性能，以满足工程特殊要求的重要技术途径； 现在有

2、70%80以上的混凝土使用了外加剂；,为什么要使用外加剂？,外加剂的作用改善混凝土拌合物的和易性；加快或延缓凝结时间；控制强度增长；提高抗冻融、热开裂、碱骨料膨胀、硫酸盐侵蚀和钢筋锈蚀等作用下的耐久性；节约水泥用量，降低成本；减少放热速度，控制温升。,(一) 化学外加剂,种类： 按照组成有：有机质和无机质外加剂 有机质表面活性物质 无机质电解质盐类化合物 按照功能有： 改善和易性：减水剂、泵送剂、引气剂等； 调节凝结时间：速凝剂、缓凝剂、早强剂等； 减少塑性收缩：减缩剂、膨胀剂等； 提高耐久性：引气剂、阻锈剂、防水剂等； 其它：防冻剂、泡沫剂、消泡剂等。,混凝土外加剂的发展,1885 氯化钙(

3、促凝剂)的专利1925 水密性外加剂1930 铝 粉(发泡剂)1932 萘磺酸甲醛缩合物(减水剂)1938 引气剂1938 早强剂与缓凝剂1939 木质磺酸盐(减水剂)1950 消泡剂1955 冰点降低剂1960 密胺树脂(减水剂)1993 聚丙烯酸(减水剂)1997 聚羧酸脂(减水剂),1、减水剂 Water Reducers,减水剂功能上能在和易性不变时，减少单位用水量；或在单位用水量不变时，能改善和易性；或二者都具备又不改变含气量的外加剂。 组成特点：碳氢分子链上带有亲水性离子基团的表面活性物质。 种类： 减水效果 普通减水剂(也称塑化剂，Plasticiser) 高效减水剂(也称超塑化

4、剂，Superplasticiser) 复合功能 早强减水剂 缓凝减水剂 引气减水剂,1) 减水剂的组成与分子结构特点,减水剂都是表面活性剂，分子结构中含有亲水的离子基团和碳氢分子链，其中： 离子基团是酸根离子或氨基，如：SO3-、COO-、NH 3 +等； 碳氢分子链，带有羟基，如：烷烃基、芳香烃基等。 其结构如下图所示：,木质素磺酸盐的重复结构单元,2) 减水剂的物理化学特征,可溶于水，能显著降低水的表面张力； 能吸附在固体表面，并在固体表面定向排列，形成表面吸附分子层，降低水固界面张力。,3) 减水剂的作用效果,通过湿润、润滑、分散、塑化等作用，能使水泥浆变稀、混凝土拌和流动性增大，从而

5、，取得下列效果： 在保持用水量不变的条件下，增大坍落度，改善和易性，使混凝土易于浇注、成型密实； 在保持坍落度不变的条件下，减少用水量，降低水灰比(水胶比) ，提高混凝土强度和抗渗性； 在保持混凝土强度和和易性，在减少用水量的同时减少水泥用量。,当水灰比一定时，混凝土拌合物的坍落度随着减水剂掺量的增加而增大,当坍落度恒定时，新拌混凝土的水灰比随着减水剂掺量的增加而减小,4) 减水剂的作用机理,当没有减水剂时，水泥加水后，不能获得均匀分散体系，由于下列原因而产生絮凝结构，使得部分拌合水包含其中，不能贡献给水泥浆的流动性： 水具有高表面张力(氢键分子结构) 水泥颗粒边、角和表面正负电荷间的相互吸力

6、 当减水剂加入到水泥浆中，吸附在水泥颗粒表面，离子基团朝向水，使水泥颗粒表面带有几毫伏的负电荷，引起水泥颗粒相互排斥，打破了絮凝结构，释放其包含的水，改善分散性静电排斥作用； 由于减水剂碳氢分子链上的极性基吸附水，形成吸附层包裹在水泥颗粒表面，产生空间位阻效应，阻碍水泥颗粒的紧密接触，阻止絮凝结构的形成。,4) 减水剂的作用机理,加减水剂前的絮凝结构,减水剂分子在水泥颗粒表面的吸附,加入减水剂后，絮凝结构被打破,问题：试从水泥浆的组成与分散体结构， 分析减水剂的作用机理？,解答： 1) 由于水泥颗粒之间和水泥颗粒与水之间的的相互吸力，导致水泥颗粒在水中分散困难，水泥颗粒容易相互粘聚形成絮凝结构

7、，有1030%的拌和水被包含在其中，从而降低了水泥浆的流动性。,2）当减水剂加入水泥浆中，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，作定向排列，组成了单分子或多分子吸附层，使水泥浆结构发生了变化： 水泥颗粒表面带相同电荷，相互间的静电斥力使水泥颗粒易于分散； 减水剂分子链上的极性基团使水泥颗粒表面溶剂化层增厚，产生空间位阻，增加了水泥颗粒间的滑动能力，减少了粘滞性，增加润滑性； 水泥颗粒易于湿润，自动粘聚能力减弱，塑化能力增强。,5) 减水剂的品种及其应用,普通减水剂 高效减水剂,普通减水剂 Water-reducer,特点： 一般含有杂质； 减水率较小，约10%； 有一些副作用； 主要品种 木质素磺酸盐

8、(木钙， )副作用：引进气泡多而大 羟基羧酸及其盐(如柠檬酸、葡萄糖酸钠等)副作用：缓凝作用明显，有引气剂时会增大拌合物含气量 多元醇(如糖钙等) ；副作用：缓凝但不影响含气量,高效减水剂 High-range Water-reducer,特点： 具有较高的分子量，纯度较高； 减水效率高，在掺量较小的条件下，可取得高效； 副作用小。 种类： 改性木质素磺酸盐，较高分子量的纯木质素盐； 磺化密胺缩合树脂，一般是钠盐； 磺化萘甲醛缩合树脂，一般也是萘磺酸钠盐； 含有羧基和/或醚基的聚合物，如聚丙烯酸钠、聚羧酸酯，聚醚等；,高效减水剂的应用，成为混凝土技术发展里程一个重要的里程碑，应用它可以配制出流

9、动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土、可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。,减水剂的技术经济效果,在保持用水量不变的情况下，使拌和物的坍落度增大100200mm； 在保持坍落度不变的情况下，使用水量减少10%15%，抗压强度增加15%40%； 在保持坍落度和强度不变的情况下，可节约水泥10%15%； 混凝土的渗水性可降低40%80%； 可减慢水泥水化初期的放热速度，减少开裂现象。,减水剂的技术经济效果,2、引气剂,什么是引气剂？ 能在混凝土拌和物中产生许多均匀分布的微小气泡(孔径为0.012mm)，并在硬化后仍能稳定存

10、在的外加剂。 组成特点：带有憎水基和亲水基的表面活性剂 物理化学特性： 可溶于水； 降低水的表面张力； 能吸附在气泡表面，使之稳定。,(1) 引气机理,搅拌水可产生气泡，但很快消失，为什么？水的表面张力是气泡不稳定！ 水中加入引气剂后 水的表面张力降低，在搅拌过程中将空气引入而产生许多气泡； 通过吸附于气泡表面形成单分子膜，减小液气界面能(表面张力)，使气泡表面的液膜坚固不易破裂而稳定存在。,(2) 引气剂的作用效果,改善拌和物的和易性，减少用水量5%9%，改善保水性，减少泌水性； 混凝土的抗渗性提高50%，抗冻标号提高3倍； 降低混凝土的强度，引入1%的空气，可使强度下降56%； 增大变形性

11、，降低弹性模量，提高抗裂性和抗冲击性。,(3) 常用引气剂,松香热聚物； 松香皂； 烷基苯磺酸钠； 脂肪酸硫酸钠； 烷基酚环氧乙烷缩合物等。其用量一般为水泥质量的(0.51.2)/10000,问题？减水剂与引气剂均是表面活性剂，那么，减水剂是否可当引气剂用？为什么？ 答：不能！因为减水剂没有稳泡作用，减水剂分子中的碳氢链是极性，与水有较强的相互作用；而引气剂分子的碳氢链是非极性的，完全憎水！,3、调节混凝土凝结时间的外加剂,土木工程应用中，有时需要调节混凝土的凝结时间：例如： 隧道内衬、水下工程施工要求混凝土喷出后能迅速凝结； 道路修补工程要求混凝土早期强度高，以便早日开放交通； 冬天施工，要

12、求混凝土强度增长快，以免冻坏； 大体积工程要求混凝土缓慢凝结，以免水化放热太快引起温度应力和变形开裂。,调节凝结时间的外加剂种类,早强剂防冻剂速凝剂缓凝剂,主要成分有：氯化物：氯化钙、氯化钠；硫酸盐：石膏、硫酸钠；三乙醇胺以及复合早强剂。,主要成分有：水溶性铝酸盐、纯碱、碳酸钠，碱金属硅酸盐等。,主要成分有：氯化物、亚硝酸盐、硝酸盐、碳酸盐等。,主要成分：糖蜜、酒石酸、柠檬酸、硼酸盐、锌酸盐等。,调节凝结时间的外加剂种类,早强剂早强剂能加速新拌混凝土凝固，提高混凝土早期强度，而对后期强度无显著影响的外加剂称为早强剂。 防冻剂在负温下使用的早强剂称为防冻剂或防冻早强剂，它能降低冰点，促使水泥水化

13、放热反应，达到抵抗冰体膨胀的临界强度 速凝剂能使水泥混凝土急速凝结硬化(15min内初凝，210min内终凝)的外加剂。 缓凝剂能延缓水泥混凝土凝结硬化时间，并对后期强度无显著影响的外加剂,(二) 矿物外加剂(掺合料),问题？混凝土中为什么要使用矿物外加剂或掺合料？ 代替水泥，所以也称水泥代用材料 改善混凝土微结构，尤其是界面过渡区结构 改善混凝土性能，尤其是耐久性 保护生态环境，节约资源和能源,主要矿物外加剂(掺合料)的种类,粉煤灰 煤粉在锅炉中燃烧后的灰份； 磨细矿渣 高炉炼铁排出的废渣，经粉磨后使用； 硅灰 生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末； 磨细石灰石粉将石灰石骨料开采时的碎屑

14、磨成粉末,主要矿物外加剂(掺合料)的种类,粉煤灰 煤粉在锅炉中燃烧后的灰份； 磨细矿渣 高炉炼铁排出的废渣，经粉磨后使用； 硅灰 生产硅铁合金排出的烟气冷凝形成微细的粉末； 磨细石灰石粉将石灰石骨料开采时的碎屑磨成粉末,六、混凝土质量控制,(一)混凝土质量的波动,基本概念： 混凝土本身的质量不是完全均匀的，其性能测试数据存在一定的离散性，这是一个客观存在的事实，是必然出现的。 但只要根据产生波动的原因，科学合理的控制混凝土生产过程的各个环节，可以使混凝土的质量波动控制在一定的范围内，以满足工程应用的要求，这是可以做到的。,混凝土质量波动的原因,材料组成 混凝土是多组分材料混合形成的，原材料的质

15、量、组成配比等因素都会导致混凝土质量的波动； 施工工艺 混凝土的施工方法，如：配料、搅拌、运输、浇灌、养护等不会完全一样，至然导致质量的波动； 试验条件 试件的制作、养护和测试方法等因素会导致性能测试结构的离散。,(二)混凝土质量控制,混凝土质量的初步控制 混凝土质量的生产控制 绘制质量波动图,1.混凝土质量的初步控制,1)原材料的质量控制，选用质量均匀的原材料，严格质量检验、验收和保管制度。 2)严格控制混凝土的原材料配比，保证试验配合比的正确实施。,2.混凝土质量的生产控制,1) 原材料的称量准确，水、水泥和掺和料的称量误差控制在2%以内，骨料称量的误差应控制在3%以内。 2) 搅拌 应尽

16、量采用机械搅拌，合理的搅拌时间(12.5min)，以保证均均匀性。 3) 运输 拌和物运输过程中，尽量避免产生离析、泌水、砂浆流失、坍落度损失等现象。 4) 浇灌与振捣 均匀浇灌，防治离析；振捣要全面，防治漏振；振捣时间要适当。 5) 养护与脱模 要经常保持必要的温度和湿度进行养护，养护试件不应少于714天；必须等到混凝土有一定强度(2.5MPa)后才能脱模。,3.绘制质量波动图,混凝土强度波动图的制作要点： 做出平均强度线(中心线) 一般以配合比设计时的试配强度(即工程要求的平均强度)制作为中心线。 标出下控制线和最小强度的界线 要求的设计强度(等级)表示在强度波动图上就是应该控制的下控制线。最低值(下限)fcu,min = 0.85fcu,k。 作出波动曲线 将逐日取样制作的试件，测定的抗压强度，标定在图上，并连成线，即得强度波动图。,