常用混凝土减水剂及掺加方法

在拌制混凝土过程中掺入的不超过水泥质量的5%（特殊情况除外），且能使混凝土按需要改变性质的物质，称为混凝土外加剂。

5.4.1　混凝土外加剂的物理化学基础

混凝土外加剂可分为具有表面活性作用的、无机电解质盐类以及有机与无机相结合的复合外加剂等三大类。其中，表面活性剂占有极重要的地位，可用来作为混凝土减水剂、引气剂、起泡剂、消泡剂、调凝剂等。表面活性剂的最重要的性质就是降低分散体系中两相界面的表面自由能，提高分散体系的稳定性。由于处在界面上的分子与内部分子所处的状态不同，内部分子所受到的四面八方的作用力是平衡的，因而互相抵消使它处于一个稳定状态；而界面上的分子所受的力，在界面以外的方向与内部方向往往是不平衡的，因而具有表面能。从热力学原理可知，任何一个体系都有向着自由能减小方向自发进行的过程。对于气-液界面来说，液体分子内部引力要远远大于气体分子对它的引力，因而在界面上液体分子尽可能要缩小其界面面积。这种力称为表面张力。液体在不受重力作用时，总是要保持表面最小的球形就是这个道理。对固-液界面来说，由于固体表面不能改变其固有的形状，其表面能降低常常表现为对液体中表面活性剂的吸附。当然，在液体表面上，吸附表面活性物质也能降低表面张力。

表面活性剂的作用，就在于它在界面上进行的特殊吸附。吸附的结果是表面能降低，因而产生了一系列的表面效应，如分散、湿润、起泡、加溶、乳化、洗涤和润滑等。

5.4.2　减水剂

减水剂是指在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌和用水量的外加剂。按减水能力及其兼有的功能有:普通减水剂、高效减水剂、早强减水剂及引气减水剂等。减水剂多为亲水性表面活性剂。

5.4.2.1　减水剂的作用机理及使用效果

水泥加水拌和后，会形成絮凝结构，流动性很低。掺有减水剂时，减水剂分子吸附在水泥颗粒表面，其亲水基团携带大量水分子，在水泥颗粒周围形成一定厚度的吸附水层，增大了水泥颗粒间的滑动性。当减水剂为离子型表面活性剂时，还能使水泥颗粒表面带上同性电荷，在电性斥力作用下，水泥粒子相互分散。上述作用使水泥浆体呈溶胶结构，在常规搅拌的混凝土拌和物中，有相当多的水泥颗粒呈絮凝结构（当水灰比较小时，絮凝结构更多），加入减水剂后，水泥浆体呈溶胶结构，混凝土流动性可显著增大。这就是减水剂对水泥粒子的分散作用。

减水剂还使溶液的表面张力降低，在机械搅拌作用下使浆体内引入部分气泡。这些微细气泡有利于水泥浆流动性的提高。此外，减水剂对水泥颗粒的润湿作用，可使水泥颗粒的早期水化作用比较充分。

总之，减水剂在混凝土中改变了水泥浆体流动性能，进而改变了水泥混凝土结构，起到了改善混凝土性能的作用。

根据使用条件不同，混凝土掺用减水剂后可以产生以下三方面的效果:

（1）在配合比不变的情况下，可增大混凝土拌和物的流动性，且不致降低混凝土的强度。

（2）在保持流动性及水灰比不变的条件下，可以减少用水量及水泥用量，以节约水泥。

（3）在保持流动性及水泥用量不变的条件下，可以减少用水量，从而降低水灰比，使混凝土的强度与耐久性得到提高。

5.4.2.2　常用减水剂

减水剂是使用最广泛和效果最显著的一种外加剂。其种类繁多，常用减水剂有木质素系、萘磺酸盐系（简称萘系）、树脂系、糖蜜系及腐殖酸系等，这些减水剂的性能如表5-13所示。此外还有脂肪酸类、氨基苯酸类、丙烯酸类减水剂。

表5-13　常用减水剂品种及性能

5.4.2.3　减水剂的使用

混凝土减水剂的掺加方法，有“同掺法”、“后掺法”和“滞水掺入法”等。所谓同掺法，即是将减水剂溶解于拌和用水，并与拌和用水一起加入到混凝土拌和物中。所谓后掺法，就是在混凝土拌和物运到浇筑地点后，再掺入减水剂或再补充部分减水剂，并再次搅拌后进行浇筑。所谓滞水掺入法，是在混凝土拌和物已经加入搅拌1～3min后，再加入减水剂，并继续搅拌到规定的拌和时间。

混凝土拌和物的流动性一般随停放时间的延长而降低，这种现象称为坍落度损失。掺有减水剂的混凝土坍落度损失往往更为突出。采用后掺法或滞水掺入法，可减小坍落度损失，也可减少外加剂掺用量，提高经济效益。

5.4.3　引气剂

引气剂是指在混凝土搅拌过程中能引入大量独立的、均匀分布、稳定而封闭小气泡的外加剂。按其化学成分，分为松香树脂类、烷基苯磺酸类和脂肪醇磺酸类等三大类，其中以松香树脂类应用最广，主要有松香热聚物和松香皂两种。

松香热聚物是由松香、硫酸、苯酚（石炭酸）在较高温度下进行聚合反应，再经氢氧化钠中和而成的物质。松香皂是将松香加入煮沸的氢氧化钠溶液中经搅拌、溶解、皂化而成，其主要成分为松香酸钠。目前，松香热聚物是工程中最常使用和效果最好的引气剂品种之一。

引气剂属于憎水性表面活性剂，其活性作用主要发生在水-气界面上。溶于水中的引气剂掺入新拌混凝土后，能显著降低水的表面张力，使水在搅拌作用下，容易引入空气形成许多微小的气泡。由于引气剂分子定向在气泡表面排列而形成了一层保护膜，且因该膜能够牢固地吸附着水泥水化物而增加了膜层的厚度和强度，使气泡膜壁不易破裂。

掺入引气剂，混凝土中产生的气泡大小均匀，直径在20～1000μm之间，大多在200μm以下。气泡形成的数量与加入引气剂的品种、性能和掺量有关。大量微细气泡的存在，对混凝土性能产生很大影响，主要体现在以下几个方面:

（1）有效改善新拌混凝土的和易性。在新拌混凝土中引入的大量微小气泡，相对增加了水泥浆体积，而气泡本身起到了轴承滚珠的作用，使颗粒间摩擦阻力减小，从而提高了新拌混凝土的流动性。同时，由于某种原因水分被均匀地吸附在气泡表面，使其自由流动或聚集趋势受到阻碍，从而使新拌混凝土的泌水率显著降低，黏聚性和保水性明显改善。

（2）显著提高混凝土的抗渗性和抗冻性。混凝土中大量微小气泡的存在，不仅可堵塞或隔断混凝土中的毛细管渗水通道，而且由于保水性的提高，也减少了混凝土内水分聚集造成的水囊孔隙，因此，可显著提高混凝土的抗渗性。此外，由于大量均匀分布的气泡具有较高的弹性变形能力，它可有效地缓冲孔隙中水分结冰时产生的膨胀应力，从而显著提高混凝土的抗冻性。

（3）变形能力增大，但强度及耐磨性有所降低。掺入引气剂后，混凝土中大量气泡的存在，可使其弹性模量略有降低，弹性变形能力有所增大，这对提高其抗裂性是有利的。但是，也会使其变形有所增加。

由于混凝土中大量气泡的存在，使其孔隙率增大和有效面积减小，使强度及耐磨性有所降低。通常，混凝土中含气量每增加1%，其抗压强度可降低4%～6%，抗折强度可降低2%～3%。为防止混凝土强度的显著下降，应严格控制引气剂的掺量，以保证混凝土的含气量不致过大。

5.4.4　早强剂

早强剂是指能提高混凝土的早期强度，并对后期强度无明显影响的外加剂。

常用早强剂有以下几类。

1.氯盐类早强剂(www.xing528.com)

氯盐类早强剂有氯化钙，以及钠、铁、铝、钾等的氯化物。以氯化钙应用最为广泛，是最早使用的早强剂。

氯化钙的早强作用是，氯化钙能与水中的C3A作用生成不溶性的水化氯铝酸钙（C3A•CaCl2•10H2O），氯化钙还与C3S水化生成的Ca（OH）2作用生成不溶于氯化钙溶液的氧氯化钙[CaCl2•3Ca（OH）2•12H2O]，这些复盐的生成，增加了水泥浆中固相的含量，形成坚固的骨架，促进混凝土强度增长。同时，由于上述反应的进行，降低了液相中的碱度，使C3S的水化反应加快，也可提高混凝土的早期强度。

氯化钙不仅具有早强与促凝作用，还能产生防冻效果。氯化钙掺量为0.5%～2%，可使1d强度提高70%～140%，3d强度提高40%～70%，28d以后便无差别。

由于氯离子能促使钢筋锈蚀，故掺用量必须严格限制，在钢筋混凝土中氯化钙的掺量不得超过水泥质量的1%；在无筋混凝土中的掺量不得超过3%；在使用冷拉和冷拔低碳钢丝的混凝土结构及预应力混凝土结构中，不允许掺用氯化钙。

2.硫酸盐类早强剂

硫酸盐类早强剂包括硫酸钠、硫代硫酸钠、硫酸钙等。应用最广的是硫酸钠（Na2SO4），又称元明粉，是缓凝型早强剂。掺入混凝土拌和物后，会迅速与水泥水化生成物氢氧化钙发生以下反应:

生成的二水石膏具有高度的分散性，均匀分布于水泥浆中，它与C3A的反应要比外掺二水石膏更为迅速，因而很快生成钙矾石，提高了水泥浆中固相的比例，加速了混凝土的硬化过程，从而起到早强作用。

硫酸钠的掺量为0.5%～2%，3d强度可提高20%～40%。一般多与氯化钠、亚硝酸钠、二水石膏、三乙醇胺、重铬酸盐等复合使用，效果更好。

硫酸钠对钢筋无锈蚀作用，但它与氢氧化钙作用会生成碱（NaOH）。为防止碱-骨料反应，所用骨料不得含有蛋白石等矿物。

3.三乙醇胺早强剂

三乙醇胺[N（C2H4OH）3]是呈淡黄色的油状液体，属非离子型表面活性剂。

三乙醇胺不改变水泥的水化生成物，但能促进C3A与石膏之间生成钙矾石的反应。当与无机盐类材料复合使用时，不但能催化水泥本身的水化，而且可在无机盐类与水泥反应中起催化作用，所以，在硬化早期，含有三乙醇胺的复合早强剂，其早强效果大于不含三乙醇胺的复合早强剂。

三乙醇胺的掺量为0.02%～0.05%。一般不单独使用，多与其他外加剂组成复合早强剂。如三乙醇胺-二水石膏-亚硝酸钠复合早强剂，早强效果较好，3d强度可提高50%，适用于禁用氯盐的钢筋混凝土结构中。

5.4.5　缓凝剂

能延缓混凝土凝结时间，并对混凝土后期强度发展无不利影响的外加剂，称为缓凝剂。

我国使用最多的缓凝剂是是糖钙、木钙，它具有缓凝及减水作用；其次有羟基羟酸及其盐类，有柠檬酸、酒石酸钾钠等。无机盐类有锌盐、硼酸盐。此外，还有胺盐及其衍生物、纤维素醚等。

缓凝剂适用于要求延缓时间的施工中，如在气温高、运距长的情况下，可防止混凝土拌和物发生过早坍落度损失；又如分层浇筑的混凝土，为防止出现冷缝，也常加入缓凝剂。另外，在大体积混凝土中为了延长放热时间，也可掺入缓凝剂。

5.4.6　其他外加剂

5.4.6.1　速凝剂

掺入混凝土中能促进混凝土迅速凝结硬化的外加剂，称为速凝剂。

通常，速凝剂的主要成分是铝酸钠或碳酸钠等盐类。当混凝土中加入速凝剂后，其中的铝酸钠、碳酸钠等盐类在碱性溶液中迅速与水泥中的石膏反应生成硫酸钠，并使石膏丧失原有的缓凝作用，导致水泥中的C3A迅速水化，促进溶液中水化物晶体的快速析出，从而使混凝土中水泥浆迅速凝固。

目前工程中常用的速凝剂主要是这些无机盐类，其主要品种有“红星一型”和“711型”。其中，红星一型速凝剂是由铝氧熟料、碳酸钠、生石灰等按一定比例配制而成的一种粉状物；711型速凝剂是由铝氧熟料与无水石膏按3:1的质量比配合粉磨而成的混合物，它们在矿山、隧道、地铁等工程的喷射混凝土施工中最为常用。

5.4.6.2　防冻剂

防冻剂是掺入混凝土后，能使其在负温下正常水化硬化，并在规定时间内硬化到一定程度，且不会产生冻害的外加剂。

利用不同成分的综合作用可以获得更好的混凝土抗冻性，因此，工程中常用的混凝土防冻剂往往采用多组分复合而成的防冻剂。其中防冻组分为氯盐类（如CaCl2、NaCl等），氯盐阻锈类（氯盐与亚硝酸钠、铬酸盐、磷酸盐等阻锈剂复合而成），无氯盐类（硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐、尿素、乙酸等）。减水、引气、早强等组分则分别采用与减水剂、引气剂和早强剂相近的成分。

值得提出的是，防冻剂的作用效果主要体现在对混凝土早期抗冻性的改善，其使用应慎重，特别应确保其对混凝土后期性能不会产生显著的不利影响。

5.4.6.3　膨胀剂

掺入混凝土中后能使其产生补偿收缩或膨胀的外加剂，称为膨胀剂。

我们知道，普通水泥混凝土硬化过程中的特点之一就是体积收缩，这种收缩会使其物理力学性能受到明显的影响，因此，通过化学的方法使其本身在硬化过程中产生体积膨胀，可以弥补其收缩的影响，从而改善混凝土的综合性能。

工程建设中常用的膨胀剂种类有硫铝酸钙类（如明矾石、UEA膨胀剂等）、氧化钙类及氧化硫铝钙类等。

硫铝酸钙类膨胀剂加入混凝土中以后，其中的无水硫铝酸可产生水化并能与水泥水化产生反应，生成三硫型水化硫铝酸钙（钙矾石），使水泥石结构固相体积明显增加而导致宏观体积膨胀。氧化钙类膨胀剂的膨胀作用，主要是利用CaO水化生成Ca（OH）2晶体过程中体积增大的效果，而使混凝土产生结构密实或产生宏观体积膨胀。

5.4.6.4　阻锈剂

阻锈剂或称缓蚀剂，是减缓混凝土中的钢筋锈蚀的外加剂。工程中常用的阻锈剂是亚硝酸钠（NaNO2）。当外加剂中含有氯盐时，常掺入阻锈剂，以保护钢筋。