混凝土外加剂对混凝土的影响分析

沙永鹏

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

混凝土材料类型众多，可塑性强，能够满足差异化的施工需求，因此在建筑、水利等领域得到了普遍应用。但实践施工时，受工艺技术、材料性质等的影响，混凝土自身麻面、蜂窝和烂边等病害仍然较为常见，对工程美观度、强度造成了一定影响，气候严寒地区的项目施工也极为受限，亟需寻求可行的解决方案，而外加剂恰巧具备一定的改进、适应能力，可以为混凝土性能优化提供有效路径。

1 混凝土外加剂类型概述

混凝土隶属于非均质建筑材料，主要以水泥、沥青等胶凝物质融合砂、石等骨料组合而成，整体可塑性、耐久性较为可观，但在实践应用环节也表现出了一定的局限性，比如抗冻性能较差、自重较大等，一度制约了混凝土施工质量的提升。当前伴随科技手段的进步，外加剂进入工程建造研究、应用领域，并以其用量少、见效快、性能优吸引了大批用户。从功能用途角度出发，常见的外加剂主要有4种类型，首先是减水剂、泵送剂一类，主要通过增大颗粒电位，提升电性斥力，从而降低新拌混凝土黏性，达到改善流动性的目的；其次是早强剂、缓凝剂一类，其可以结合不同施工场景需求，对混凝土凝结、硬化进程进行速度调整、控制；三是引水剂、防水剂一类，主要用于改良、提升混凝土防水、耐久性能，保障工程质量；最后是防冻剂、着色剂一类，应用场景针对性较强，可以改善混凝土防冻、美观性能。

2 混凝土外加剂对混凝土性能的影响

2.1 减水剂产生的影响

2.1.1 减水剂作用原理

减水剂中存在较多表面活性剂，在维持坍落度指标的基础上，能够明显优化新拌混凝土塑化作用，同时减少单位体积用水量，提升抗渗性能。其作用机理主要体现在三方面。首先是分散作用，在混凝土整体结构中，水泥是关键的胶凝材料，当施工进入拌合环节后，水分周围会被絮凝状的颗粒充分包裹，自由度下降，无法充分参与流动、润滑工作，拌合物流动性由此下降。减水剂掺入后，活性剂分子定向吸附作用被充分发挥出来，与水泥颗粒紧密结合，所有颗粒表面被附上同种电荷，并在静电原理作用下，形成排斥、分散趋势，絮凝、包裹结构被破坏，内部水分逸出，拌合物整体流动性改善。其次是润滑作用。对于萘磺酸盐等减水剂来说，其成分具有较强的亲水性，当其成分附着于水泥颗粒表面时，会与水分子相互吸引、结合，成为溶剂化水薄膜，其结构稳定且润滑性能良好，可以显著减小颗粒之间的滑动阻力，从而改善混凝土流动性。最后是空间位阻作用。在减水剂结构中，部分支链亲水性良好，其在水溶液中舒展、扩张，在水泥颗粒表面形成吸附层，该吸附层较为立体，且具有一定厚度，当颗粒靠近时，这种吸附层就会重叠，产生空间位阻效应，形成相斥动力，将混凝土坍落度维持在稳定水平上。

2.1.2 普通减水剂

普通减水剂指标要求相对较低，大致可节省5%的用水量，将之应用于龄期较新的混凝土，抗压强度会明显改善，至少可达原先的1.1倍，对于龄期28 d上下的混凝土材料来说，也能够提升5%左右的强度。木质素磺酸钙减水剂是其中较为常见的代表性类别，木质素本身自然赋存量较大，主要原材料为草木、木本植物等，通过特定工艺处理，可以从中提取出大量的硫酸盐木素、碱木素等，性能稳定、成本较低，因此获得了大规模的生产、应用。除普通混凝土外，还可以用于大体积混凝土、泵送混凝土等场景中，由于其自身不含氯盐，不会对钢筋钝化膜产生威胁，因此也可在预制、钢筋混凝土中使用，用量最好控制在0.2%-0.5%，若有单独使用的需要，用量还应适当降低，以0.25%为佳，不能超过0.3%。同时，普通减水剂引气量较大，可能具备一定的缓凝性能，因此在蒸养混凝土中，要严格禁止单独使用。混凝土的缓凝与温度关联较大，当施工、养护温度较低时，材料早期强度低、凝结速度减缓的状况就会异常明显，因此普通减水剂使用时，应当尽量选在5℃以上的天气，施工完成后，也要重点加强养护，防止水分过度蒸发之后，混凝土强度受到不良影响，可以喷涂养护剂，也可加盖塑料薄膜。

2.1.3 高效减水剂

高效减水剂指标要求相对较高，在混凝土施工中，减水量通常可达到10%以上，从而显著改善混凝土流动性，对于C30混凝土来说，龄期较新的状况下，强度可以提高69 MPa，即使面对龄期28 d左右的混凝土，强度也能提升至87 MPa左右。高效减水剂类别较多，聚烷基芳基磺酸盐类、密胺类减水剂均是较为常见的类型，将之应用于混凝土施工中，主要可产生以下几个方面的影响。

首先是改善新拌混凝土坍落度。坍落度是衡量混凝土性能时的常用指标，其测定数值过高，会直接影响混凝土强度，给工程项目带来质量隐患；测定数值过低时，又无法适应泵送、长距离运输场景，这种矛盾增加了混凝土配比控制的难度，但高效减水剂引入后，混凝土离析、泌水的状况可以明显减少，坍落度得到优化。高效减水剂性能的发挥与诸多因素有关，分子大小、结构类型和溶液表面张力等，均会影响其综合效用，萘系、三聚氰胺系高效减水剂应用时，可以加快混凝土凝结时间，而氨基磺酸盐类减水剂应用时，则会减缓主体凝结时间。

其次是影响混凝土硬化、耐用性能。加入高效减水剂后，水泥水化程度会明显提升，对于已经硬化的浆体来说，早期的抗压、抗弯强度上升，使得混凝土显微结构更加优质，在高效减水剂的影响下，混凝土收缩值也发生了一定改变，水泥需求量继而减少，有助于达成环保、节能施工目标，需要注意的是，混凝土伸缩值对其自身质量有较大影响，变化幅度通常不会超过1×10-4。高效减水剂减水量较大，同时还具有微弱的排气性能，结构中水分、气体的减少使得混凝土抗冻、抗融性能都得到了一定程度的优化，对于强酸腐蚀情况，也能有一定的抵抗能力。

最后是影响钢筋抗腐蚀性能。传统施工模式中，普通混凝土与钢筋直接接触，伴随时间推移，外界水分极易沿着混凝土缝隙入侵，对钢筋造成侵蚀。腐蚀后的钢筋部分位置发生裂缝，部分位置则膨胀、变大，对外壳混凝土结构产生挤压，严重时甚至会产生崩脱的现象。应用高效减水剂后，混凝土与钢筋的粘合度直线提升，二者间隙几乎可以忽略，以C30混凝土为例，其与直滑钢筋结合7 d后，粘结力可从1.2 MPa提升至8.5 MPa，在弯曲钢筋实验场景中，提升幅度则为15～27.5 MPa，实践追踪检测后发现，应用高效减水剂后，混凝土内部钢筋在4 a以内，均未出现明显的腐蚀现象，充分验证了高效减水剂的优良性能。

2.2 引气剂产生的影响

引气剂成分中同样含有表面活性剂，憎水性较为明显，将其加入混凝土原材料后，可以产生较多微小气泡，直径大约为20～1 000μm，这些气泡会均匀、稳定地存在于混凝土结构之中，从而改善其稳定性、和易性。引气剂的作用机理主要可从以下方面剖析。首先是界面活性作用。常规混凝土拌合过程中，虽然也会裹挟少量气泡，但稳定性较差，并不会对混凝土性能产生明显改变。使用引气剂后，其分子颗粒会迅速发挥物理吸附作用，从水泥-水界面上看，亲水基与水分子结合，憎水基则与水泥颗粒结合；从水-气界面上看，亲水基同样靠近水分子，而憎水基则指向空气，所有物质均有固定位置、布局，因此自由度大幅下降，有助于形成稳定的活性界面，气泡引入也就显得更为容易。其次是气泡作用。气泡实际上代表着界面面积的扩张，但液体表面本身张力所限，会存在一种天然、自动的缩小趋势，气泡产生后，应力相互拉扯，气泡自然缩小、破裂，但加入引气剂后，其分子颗粒吸附于气-液活性界面之上，在一定程度上抵消了表面张力，因此气泡较为轻松。最后是稳泡作用。相关试验中发现，部分表面活性剂作用于拌合混凝土时，同样会引入大量气泡，但经过静止、运输等环节后，绝大多数气泡都会消失，而引气剂却可以在气泡周围形成稳固用膜，该膜结构具有一定的弹性、强度，可以牢牢拴住气泡结构，防止其流失。

引气剂应用优势良多，对于新拌阶段混凝土来说，能够有效改善坍落度，提升体可塑性、流动性，为后续施工奠定良好基础。泌水和离析是混凝土应用、运输过程中较为常见的问题，混凝土中水分流失、材料粘聚性不足不仅会影响振捣施工质量，致使混凝土表面出现蜂窝现象，还会降低混凝土结构强度。而加入引气剂后，气-液界面更加稳定，不容易产生离析、泌水的现象，有助于提升混凝土的均质性，由于气泡稳固、均匀地存在于混凝土之中，因此整体抗折性能、柔韧性能都得到了加强，热扩散系数降低，即使在野外环境中，气温影响也大幅削减，对于道路、建筑等暴露在外的混凝土结构来说，耐久性更加优良。在引气剂使用环节，可以适当选用机械拌合方式，以保证拌合均匀性，注意严格控制拌合时长，时间不足、过长均可能导致混凝土含气量不足。

2.3 早强剂和缓凝剂产生的影响

早强剂可以显著提升水化反应速率，增强混凝土早期结构强度，通常用于-5℃以下的场景中，可以使混凝土尽早脱模，加快模板流转速度，后期养护压力也被大幅缓解，因此可用于应急修补。缓凝剂与其性能恰好相反，主要用于抑制水化反应速度，防止混凝土快速凝结，通常用于5℃以上的场景中。

3 混凝土外加剂使用要点探析

混凝土外加剂虽然优点众多，能够在经济适用的基础上，最大限度优化混凝土各方面性能，使之符合建设、使用要求，但实践中滥用、错用的状况也十分多见，比如用量过多、种类选择不当等，均会影响混凝土最终质量，造成强度降低、结合不紧密等问题。同时，部分外加剂本身具有一定的污染性，比如高碱混凝土膨胀剂、含氨外加剂等，当周围温度较高时，其中的有害物质会逸散出来，影响使用者身体健康，因此外加剂使用过程中，要尽可能从环保、经济和效能等各方面进行考量，最大程度发挥其积极作用，规避不良影响。

3.1 优化外加剂品种选择

外加剂品种较多，除缓凝剂、减水剂等大类，每个类别中还涵盖了众多子类别，其成分结构、作用效能均存在较大差异，应用环节要立足工程项目性质、混凝土实际用途，进行综合考量和比选。在众多减水剂品类中，改性萘系减水剂可以显著缓和水化发热，因此在大体积混凝土施工中，具有较高的适用性；聚狡酸类引气剂应用中，缩减能力相对更强，在耐久性要求较高的工程中，可以适当考虑；聚羧酸类外加剂在试验、应用环节中，则表现出了更强的减水率，适用于高强混凝土施工场景。对于不同种类引气剂来说，引入、产生的气泡直径是存在较大差异的，制作出的混凝土结构抗冻、抗弯折能力均是不同的，因此品种选用时，要尽可能选用产生气泡直径较小、较均匀的制剂。同时，外加剂与胶结料之间存在相容性的问题，当采用硬石膏、氟石膏等材料时，要额外关注品种选取问题，若选用的减水剂中含有木钙，可能引发假凝、速凝等问题；在应用引气剂时，同样要避免与氯化钙一同使用，该物质具有一定的消泡作用，会影响引气剂效用的发挥。施工建设中，有时需要采用复合外加剂，此时同样要考虑相容性，比如应用高效减水剂时，若同时使用木钙，就可能导致沉淀产生，从而影响效用发挥。

3.2 合理确定外加剂掺量

尽管外加剂优势众多，能够在最为经济适用的基础上，改善和优化混凝土性能，但用量不当同样会造成恶劣影响，以土建工程中混凝土灌注桩施工为例，桩体本身需要承载较大应力，因此混凝土、钢筋笼之间，应当具有良好的密封性和结合性，但实践中部分主体为提升混凝土硬度，缓解收缩徐变造成的裂缝问题，有时会加大引气剂用量，这很有可能导致材料结构内部弹性饱和，无法与钢筋紧密连接，从而形成开放式裂口，给工程地基埋下巨大的安全隐患。引气剂适量使用可以优化混凝土和易性，减少泌水、离析的概率，同时，其引入的气泡也会占据混凝土内部结构空间，大量使用极有可能导致整体强度的降低，因此其用量必须严格控制。外加剂掺量与混凝土性质、工程用途有很大关联，对于C50混凝土来说，其水灰比通常为0.3，水胶比可能更低，因此外加剂掺量控制在4%为宜，C30混凝土施工中，掺量则要适当降低，控制在2.5%左右。

3.3 改进外加剂掺入方式

除品种、用量的选择外，外加剂掺入方式也会影响其效用的发挥，当前较为常见的掺入方案主要有以下几种。首先是先掺法。水泥作为胶结物质，最先与外机粉剂相混合，在此基础上，进一步添加集料、清水，完成拌合作业，这种方式之下，外加剂分散会更加彻底、均匀，分子吸附于水泥颗粒表面后，很可能在持续的搅拌中发生脱离，从而增加外加剂用量。其次是后掺法。这种方式中，水泥、集料以及清水已经提前开始拌合，在操作持续一段时间，保证拌合均匀后，再加入外加剂，以加水时间为标准，大约滞后1～2 min。这种方式可以在短期内保障液相中外加剂的浓度，降低损耗。再次是同掺法。即将水泥、骨料等原材料，与调制好的外加剂一同置于搅拌机中，也可采用外加剂与水提前混合，并投放至原材料中的方式，这种方案中，外加剂全程跟随水化反应的发生，水泥颗粒表面可以更好地吸附制剂，从而发挥减水、引气等效用。最后是分次加入法。这种方式贯穿拌合、运输的整个环节，主要以时间为线索，间隔固定周期加入外加剂，可以使制剂浓度始终维持在较为稳定的状态上。掺入方式与外加剂种类有很大关联，在使用萘系高效减水剂时，活性剂会对C3A、C4AF等矿物成分进行选择性吸附，因此采用后掺法更好；而应用木钙类减水剂时，其作用机理为大分子保护，故而掺加方式影响并不明显，在实践中，要统一经过严格的试配、检测来确定最佳方案。

4 结论

综上所述，外加剂掺加成本低廉、见效迅速，在混凝土施工实践中，有着极为广泛的应用，其中减水剂能够有效减少工程用水总量，引气剂则可以规避离析、泌水等不良状况，缓和剂、早强剂可以控制混凝土硬化、凝结进程，在应用时要立足工程实际，对不同外加剂进行合理选择、搭配，并且通过科学、系统的试验、分析确定掺加量、掺加方式，从而为混凝土施工质量的提升奠定稳固基础。