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1、减水剂对混凝土性能影响的研究1引言混凝土外加剂是在混凝土、水泥净桨或砂浆拌合时、拌合前或额外拌合中掺入，用以改善混 凝土性能的化学物质。非特殊情况，加入量一般不超过水泥质量的5。目前，针对混凝土 工程的各种特殊要求，已经研制出了许多种能满足各式各样要求的外加剂，将它们以适当方 式加到混凝土中就可以达到一些预期的效果。根据这些外加剂的作用，可分为减水剂、速凝 剂、缓凝剂、引气利、防水剂、粘结剂、膨胀剂、阻锈剂、消泡剂、脱模剂、着色剂、防潮 这些混凝土外加剂按其主要功能可分为四类：(1) 改善混凝土拌合物流变性能的外加剂，包括减水剂、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，
2、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、防水剂和阻锈剂等。(4) 改善混凝土其它性能的外加剂，包括粘结剂、膨胀剂、阻锈剂、消泡剂、脱模剂、着色 剂、防潮剂等等。本文先介绍几种常用的外加剂，再着重对混凝土减水剂的分类、作用机理、现状及发展加以 阐述。此外，本文还针对目前常用的几种检测混凝土初终凝时间的方法，分析了其优点和不 足。并提出了一种新的检测方法收缩率测定法。2混凝土外加剂外加剂的分类 对外加剂可按其功能和化学成分分类。 按功能分类，有改善混凝土拌和物流变性能的，有调节混凝土凝结时间和硬化性能的，有改 善混凝土耐久性能的;按化学成分分类，有无机类、有机类
3、、有机无机复合类共三类。211 混凝土减水剂 减水剂能在不影响和易性的条件下使给定混凝土的拌和用水量减少，在不影响用水量的条件 下使混凝土拌和物的和易性增加。此类减水剂可分为普通减水剂和高效减水剂。 普通减水剂:要求减水率5%，龄期为3-7天的混凝土抗压强度提高10%，龄期为28天的 混凝土抗压强度提高5%以上。常用的普通减水剂有木质素磺酸钙减水剂。 高效减水剂:能大幅度地减少拌和用水量或显著提高混凝土的流动度。要求减水率10% , 龄期为3天的混凝土抗压强度提高25%以上，龄期为28天的混凝土抗压强度提高巧%以上。 目前常用的有聚烷基芳基磺酸盐类和密胺类减水剂。减水剂对新拌棍凝土性能的影响主
4、要有和易性的改善，拌和用水量的减水以及含气量有所增 加，凝结时间有所延长和水泥水化放热速度减缓。减水剂对硬化混凝土性能的影响主要有强度的提高，变形能力的增强，抗渗能力的提高和耐 冻融性能的提高，且对钢筋无危害，有减缓混凝土中钢筋锈蚀的作用。212 缓凝剂 缓凝剂的种类: 普通缓凝剂:能延长混凝土凝结时间的外加剂。 缓凝减水剂:兼有缓凝和减水功能的外加剂。 缓凝高效减水剂:兼有缓凝和显著减水功能的外加剂。 缓凝引气减水剂:兼有缓凝、引气和减水功能的外加剂。 缓凝引气高效减水剂:兼有缓凝、引气和显著减水功能的外加剂。 缓凝外加剂能延长混凝土的凝结时间，使新拌混凝土在较长时间内保持塑性，有利于浇筑成
5、 型和提高施工质量及降低水泥初期的水化热。缓凝外加剂主要用于炎热气候下施工的混凝土、大体积混凝土及需长时间停放或长距离运输 的混凝土。缓凝剂及缓凝减水剂不宜用于日最低气温5C以下施工的混凝土，也不宜单独用 于有早强要求的混凝土及蒸养混凝土;缓凝高效减水剂不宜用于日最低气温为0C以下施工 的混凝土。缓凝剂及缓凝减水剂的品种及其掺量，应根据混凝土的凝结时间、运输距离、停 放时间、强度等要求来确定，严禁过量掺人。过量掺人将导致棍凝土凝结时间显著推迟，早 期强度降低，甚至不凝、假凝。缓凝剂和缓凝减水剂一般先配成适当浓度的溶液，加放拌和 在水中使用。配制的溶液应定期检查，防止浓度不均而造成质量事故。缓凝
6、剂及缓凝减水剂 可与其他外加剂复合使用。配制溶液时应注意其共溶性，确定混合后不发生絮凝、沉淀等不 良现象时方可先混合，否则应分别配制成溶液并分别加放在搅拌机内。掺缓凝剂的混凝土在 终凝后才能浇水养护。213 早强剂早强外加剂分类: 普通早强剂:加速混凝土早期强度发展的外加剂。一般不具有或具有较小的减水功能，对 混凝土后期强度影响不大。 早强减水剂:兼有早强和减水功能的外加剂。能提高混凝土的早期强度，具有一定的减水 功能，且能使混凝土后期强度和耐久性能有所提高。 早强高效减水剂:兼有早强和显著减水功能的外加剂。能显著提高混凝土的早期强度、和 易性、后期强度及耐久性。早强外加剂适用于日最低气温不低
7、于一5C环境下的混凝土施工。大多数产品为复合载体故 必须以干粉掺人使用，并适当延长搅拌时间。掺加时应加在水泥里，不得加在潮湿的砂石上， 以免造成硫酸钠与集料表面的水接触后结块，搅拌时不易分散，使混凝土干裂。当粉剂中有 结块和粗粒时，必须粉碎，通过30目筛筛后方可使用。宜以体积法计量，这可避免产品受 潮造成掺量不准。早强加外剂不得用于含有活性骨料的混凝土结构。214 混凝土防冻剂是能使混凝土在负温下硬化，并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂。 防冻剂分类:（按掺量能塑化效果分类） 高效防冻剂:系减水剂12%（般为20%），掺量小于或等于水泥质量的5%,适用于日最低 气温为-15C20C的防冻剂
8、。 普通防冻剂:系减水率较小及掺量较大的防冻剂。防冻剂的适用范围：目前国内防冻剂产品适用的气温范围为-20C0C，在更低的气温下施 工时可采用其他冬季施工措施，如暖棚法、综合蓄热法等。掺防冻剂混凝土采用一层塑料薄 膜、两层草袋或其他用品覆盖养护时，在日气温-5C+5C正负温交替条件下，可使用早强 剂或早强减水剂；日最低气温为-15C、-20C时可分别采用规定温度为-10C或-15C的防冻 剂;氯盐类防冻剂适用于无筋混凝土工程;氯盐钢筋类防冻剂适用于允许掺用氯盐的钢筋混 凝土工程；无氯盐类防冻剂可用于钢筋混凝土和预应力混凝土。但硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸 盐类外加剂不得用于预应力混凝土及镀锌钢材或与
9、铁相接触部位的钢筋混凝土结构。含有六 价铬盐、亚硝酸盐等有毒防冻剂，禁止用于饮水工程及与食品相接触的工程。215 混凝土膨胀剂 能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。膨胀剂的种类: 硫铝酸、钙类膨胀剂，其掺量一般为水泥质量的8%一 15%; 氧化钙类，这类膨胀剂的掺量为水泥质量的3%-5%; 复合膨胀剂; 金属类膨胀剂，铝粉膨胀剂一般掺量为水泥质量的1/100000。 一般用在标号为及以上的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥中。采用其他水泥时须经过试验。膨 胀混凝土（砂浆）的配合比设计与普通混凝土（砂浆）相同。每1m3所用膨胀剂的质量与1m3 实际水泥质量之和，作为每1m3混凝土（砂浆）水泥的质量。铁屑
10、膨胀剂的质量不计算在水泥 用量内。膨胀剂的实际掺量须通过试验确定。膨胀混凝土（砂浆）宜采用机械搅拌，必须搅拌 均匀，一般比普通混凝土（砂浆）的搅拌时间需延长30s以上。膨胀混凝土（砂浆）必须在潮湿 状态下养护14天以上，或用喷涂养护剂养护;在日最低气温低于+5C时，可采用40C热水 搅拌并采用保温措施;膨胀混凝土（砂浆）可采用蒸气养护。混凝土减水剂 减水剂是混凝土外加剂中应用最广泛、效果最显著的一种掺拌材料，它的主要作用是改善混 凝土拌和物的流变性能。在混凝土中添加减水剂，能够减少用水量，提高混凝土强度，增大 混凝土的流变性，同时还能节约水泥用量。221 减水剂的发展历史 近代混凝土减水剂的发
11、展已有60多年的历史。20世纪30年代初，美国、英国、日本等已 经在公路、隧道、地下工程中使用木质素磺酸盐类减水剂。到60年代，混凝土减水剂得到 了较快发展。1962年，日本的服部健一等将萘磺酸甲醛高缩合物用作减水剂。几乎在同时 前德意志联邦共和国研制成功了三聚氰胺磺酸盐甲醛缩聚物减水剂。另外，同时出现的还有 多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物减水剂。 目前国外对萘系、三聚氰胺系等高效减水剂的研究和应用已日趋完善，不少科研机构已开始 转向对聚梭酸盐系高性能减水剂的开发与研究。90 年代，日本在该领域投人了大量的人力 与资源，并获得了成功，开发出了一系列性能较为优异的聚羧酸盐系减水剂。1995 年以后，
12、聚羧酸盐系减水剂在日本的使用量超过了萘系减水剂。聚羧酸盐系高效减水剂是直接用有机化工原料通过接酯共聚反应合成的高分子表面活性剂， 它不仅能吸附在水泥颗粒表面上，使水泥颗粒表面带电而互相排斥，而且还因具有支链的位 阻作用，从而对水泥分散的作用更强、更持久.因此，聚羧酸盐系减水剂被认为是目前最高 效的新一代减水剂。222 混凝土减水剂的分类按功能分类(1) 按塑化效果分类：分为普通减水剂(减水率在5以上)和高效减水剂(减水率在 12以 上)。(2) 按引气量分类：分为引气减水剂(含气量3. 55. 5%)和非引气减水剂(含气量3%, 一般在 2左右)。(3) 按混凝土的凝结时间和早期强度分类：分为
13、标准型、缓凝型和早强型减水剂。标准型可以使混凝土的初凝及终凝时间缩短不大于lh,延长不超过2h；早强型兼具减水和提高混凝 土的早期强度的作用。缓凝型初凝时间延长至少lh，但不小于3. 5h；终凝时间延长不超过 3.5h。按化学成分分类：(1) 木质素磺酸盐类：应用较普遍的为木质素磺酸钙，它是阴离子表面活剂。其掺量为水泥 质量的0. 20. 3%,减水率为515%, 28d抗压强度提高1015%，在水泥用量不变， 强度相近条件下，可节约水泥51帆。适用于日最低气温十5Y以上的各种预制及现浇混凝 土、钢筋混凝土及预应力混凝土、大体积混凝土、泵送混凝土、防水泥凝土、大模板施工用 混凝土及滑模施工用混
14、凝土，但不宜用于蒸养混凝土。(2) 聚烷基芳族磺酸盐类：为阴离子高效减水剂。国内现生产的有MF(B.荼磺酸甲醛缩 合物的钠盐)、MF(甲基荼磺酸甲醛缩合物钠盐)及FDN、JN、UNF、SN 一 2等均属此类。常用 量为水泥质量的0. 51%，减水率为1025%； 28d抗压强度提高1550%。(3) 三聚氰胺甲树脂磺酸盐类：属阴离子型，系早强、非引气型的高效减水剂。如国产SM 减水剂，磺化三聚氰胺树脂(SM)。掺量为水泥质量的0. 51. 0%,减水率为1027%, 28d抗压强度提高3050%。适用于蒸养混凝土、高强混凝土、早强混凝土及流态混凝土。 常用的还有糖蜜类和腐殖酸类减水剂。2.2.
15、3 减水剂的作用机理由于水泥颗粒粒径绝大部分在7um-80um范围内，属于微细粒粉体颗粒范畴。对于水泥一 水体系，水泥颗粒及水泥水化颗粒表面为极性表面，具有较强的亲水性。微细的水泥颗粒具 有较大的比表面能（固液界面能），为了降低固液界面总能量，微细的水泥颗粒具有自发凝聚 成絮团趋势，以降低体系界面能，使体系在热力学上保持稳定性。同时.在水泥水化初期， C3A 颗粒表面荷正电，而 C3S 和 C2S 颗粒表面荷负电，正负电荷的静电引力作用也促使水泥 颗粒凝聚形成絮团结构（如图 1 所示）。由于水泥颗粒的絮凝结构会使10%-30%的自由水包裹其中，从而严重降低了混凝土拌合物的 流动性。减水剂掺入的
16、主要作用就是破坏水泥颖粒的絮凝结构，使其保持分散状态，释放出 包裹于絮团中的自由水，从而提高新拌混凝土的流动性。作为水泥颗粒分散剂的减水剂，大部分是相对分子量较低的聚合物电解质，其相对分子量在 1500一100000范围内。这些聚合物电解质的碳氢链上都带有许多极性基官能团，极性基团 的种类通常有一 S03、一 C00-及一 0H等。这些极性基团与水泥颗粒或水化水泥颗粒的极性 表面具有较强的亲合力。带电荷的减水剂（具有一 S03、一 C00 等极性基的阴离子表面活 性物质）通过范德华力或静电引力或化学键力吸附在水泥颗粒表面;带极性基（如一 0H、一 O-） 的非离子减水剂也能通过范德华力和氢键的共同作用吸附在水泥颗粒表面。没有与水泥颗粒表面作用的极性基则
