浅谈引气减水剂在混凝土工程中的应用

刘洋

【摘 要】 引气减水剂作为混凝土外加剂的一种产品，已经广泛应用在各种混凝土中，它在改善混凝土施工性能、施工环境以及减轻工人劳动强度和加快施工进度等方面具有不可替代的优越性。

【关键词】 引气减水剂；混凝土工程；应用

前言：

80年代以后，引气减水剂陆续在机场工程混凝土中得到应用，到现在已经成为工程混凝土配比不可或缺的组份（尤其是北方严寒地带）。但是在实际使用过程中经常听到两种不同的声音：（1）施工和易性不易控制，易离析泌水，施工质量难以保证，强度储备偏少，不宜使用；（2）铺筑和易性好、强度高、寿命长，有效控制了冻胀脱皮、断板开裂等现象，同时，模板周转较快，需要大力推广。

为什么会同一问题出现如此混乱的分歧和看法？大致原因如下：1、我国各地区矿石资源不一样，水泥生产工艺规模有效大差别，导致了水泥品种的多样性。而且，同一种水泥质量差别也大，所以经常出现外加剂和水泥的不适应现象。这就类似“青霉素”不适应“某些”病人会出现“过敏”或其它“异常反应”一样。这种现象尤其发生在低水胶比实际用水量少的高性能混凝土的拌合物中，所以，机场混凝土也不例外。2、行业间的相互保护，美其名曰：“商业秘密”，外加剂和水泥行业本属建材行业，确为了各自的利益，老死不相往来，就拿水泥调凝剂石膏来说，品种、产地、半水、二水还是生石膏等对水泥成品的性能影响是相当巨大的，但就这对于水泥来说很简单的事情，到外加剂这里就是“商业机密”，更不用说到使用方了。3、掺合料的大量使用从节约能源和降低经济成本的角度来说功劳不小，导致本来就敏感的适应性问题变得更加复杂化。因此，本人就如何推广引气减水剂在机场工程混凝土中的应用问题发表一点的拙见。

一、认清引气减水剂的作用机理

减水剂的作用机理主要有吸附分散、润滑润湿作用。水泥加水后，由于水化产物所带不同电荷的相吸作用、溶剂化水膜产生缔合作用和水泥质点运动碰撞吸引，形成絮凝网状结构，截留、包围水分，使混凝土的流动性降低。加入减水剂后，减水剂的憎水基定向吸附于水泥颗粒表面，形成单分子或多分子膜层，溶剂化水膜膜层增厚，水泥质点润滑流动；由于减水剂分子的定向吸附，使水泥颗粒表面带有同性电荷，彼此间产生静电斥力，使水泥的絮凝网状结构解体，释放水分，使新拌混凝土的流动性提高。减少混凝土的孔隙率和有害孔，使混凝土的结构更为致密，混凝土的强度提高，耐磨性能也显著提高。

引气剂的作用机理主要是：混凝土在搅拌过程中不可避免的会引入一部分空气，而引气剂大部分是阴离子表面活性剂，在水-空气界面上，憎水基定向吸附空气，在水泥-水界面上，水泥或者其水化粒子与亲水基相吸附，憎水基背离水泥及其水化粒子，形成憎水化吸附层，并力图靠近空气表面，由于这种粒子向空气表面靠近和引气剂分子在空气-水界面上的吸附作用，显著降低了水的表面张力，使混凝土在拌合过程中产生大量的微小气泡，这些气泡带有相同电荷的定向吸附层，所以相互排斥并能均匀分布；另一方面，许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中有钙盐沉淀，吸附在气泡膜上，能有效地防止气泡破灭，引入的细小均匀的气泡能在一定时间内稳定存在。这些稳定微小匀质的独立气泡，缓解了冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，使得混凝土的抗冻性、抗渗性均得以提高。

引气减水剂是兼具引气剂和减水剂的功能。引气剂在提高混凝土的耐久性的同时也不可避免地降低了混凝土的强度，混凝土含气量每增加1%，强度降低3%～5%，这使得引气剂的推广使用受到了一定程度的制约。因此，在兼顾强度和耐久性的高性能混凝土迅猛发展的当今，混凝土中单独掺加引气剂是不多见的，引气剂通常与减水剂复合使用，减水剂的高减水率可以从一定程度上弥补混凝土因使用引气剂而造成的强度损失。

值得注意的是，不同品种的引气剂对混凝土的引气作用是不同的。引气剂对混凝土性能的影响不能单纯用含气量大小来评定其优劣。在相同含气量时，气泡的分布情况，包括气孔的大小、气泡的数量、气泡的稳定性对混凝土的和易性、强度、耐久性的影响明显不同。优质引气剂能在混凝土中引入直径微小、分布均匀、密闭独立的空气泡，并在混凝土施工过程中有较好的稳定性，在混凝土凝结硬化后就留下了许多细小、均匀、独立的气孔，将影响混凝土的一系列性能。

二、正确看待引气减水剂与水泥的适应性问题

这在设计和实际施工中存在相当大的争议，至今不相上下。在相同配比下，同掺量同品种的混凝土外加剂往往由于水泥品种不一样，其应用效果有效大差别。同样混凝土外加剂在一种水泥的应用中效果较好，而在另一种水泥的应用中出现较大差别，甚至出现相反效果，出现质量事故。如掺有“甘油”的混凝土外加剂或“糖钙”或“木钙”的混凝土外加剂，在某些水泥中应用效果较理想，而在某些水泥中可能会现相反的效果。一般而言引气减水剂适应性较差主要表现如下：

1）新拌混凝土的搅拌过程中出现异常凝结（速凝、假凝）。

2）新拌混凝土坍落度损失快。

3）混凝土泌水、离析、分层现象严重。

4）新拌混凝土坍落度、含气量提不上来，看似引气减水剂减水效果差。

5）硬化混凝土强度明显下降。

6）混凝土收缩加大、抗渗、耐久性下降。

7）大体积混凝土中缓凝效果不明显、出现温差裂缝。

那么究竟哪些因素影响着适应性的问题呢？

1、引气减水剂的掺量和掺加工艺

对于某一水泥、某一配比的混凝土而言，任何混凝土外加剂都存在一最佳掺量（引气减水剂也不例外），即在最佳掺量时，混凝土外加剂的性能會出现拐点。外加剂的最佳掺量是获得最好的技术、经济效果的重要因素，其最佳掺量是根据试验、混凝土配比确定的，故在混凝土外加剂大掺量或低掺量（相对最佳掺量而言）往往会出现截然不同、意想不到的效果。如“坍落度”损失快慢、泌水大小、缓凝与促凝等。

（1）掺加工艺（先掺法与后掺法）

凡进行过混凝土外加剂研究的工作者及进行大量混凝土外加剂的应用试验的人员都应赞同：后掺法的混凝土的工作性能优于先掺法的混凝土，而且达到同样效果，后掺法的掺量往往更小，这可能与混凝土外加剂与水泥颗粒的吸附与分散有关。但现实施工中很少有人这样做，因为怕麻烦。

（2）搅拌时间与搅拌速度

混凝土搅拌时间会影响混凝土的含气量及混凝土外加剂对混凝土的分散效果、凝结时间，从而影响混凝土的工作和硬化混凝土的力学性和耐久性。

搅拌即剪切速度过快，会破坏水泥浆中的胶体结构和破坏水泥颗粒表面形成双电层膜，使混凝土凝结时间坍落度损失、泌水量都受到较大影响。

2、引气减水剂的品种

不同品种的引气减水剂所含官能团、分子结构等均不相同，如-OH、-COOH、-CH2、-SO3等对水泥颗粒的水化都会产生不同的影响，甚至引气减水剂分子量、形状不同都会影响到混凝土的性能。引气减水剂是阴离子表面活性剂还是阳离子表现活性剂或是非离子表面活性剂，水泥中的C3A、C4AF、C3S、f-CaO等吸附分散效果不相同，也直接影响水泥中SO42-的溶解度。从而导致混凝土外加剂与水泥适应性的问题。另外，还有引气减水剂中碱含量高，则对混凝土早期强度有利，但新拌坍落度损失快。有些引气量过大，而且气泡不均匀、不封闭。气泡大导致新拌混凝土坍落度损失快，而且使硬化混凝土抗渗、抗冻、耐久性等下降等等。

3、水泥

1）矿物成份

在水泥中一般以石膏作为调凝剂。影响水泥适应性的主要矿物成份是C3A、C3S。一般说来，C3A含量低的水泥，其适应性良好，坍落度损失小。C3A含量高的水泥，需要较多的CaSO4.2H2O作调凝剂。若混凝土拌合物中，SO42-浓度不足，那么新拌混凝土坍落度损失快。像糖钙和木质素类引气减水剂对硬石膏作调凝剂的水泥，其适应性就极差，就是因为糖钙、木质素等降低了硬石膏的溶解度，从而使水泥因缺少SO42-而产生异常凝结。通常水泥适应性不好，水泥在生产过程中采用立窑回转窑干法湿法生产，使水泥矿物组分晶相状态细度石膏形态发生不同程度的变化，从而导致了混凝土外加剂与水泥适应性问题的产生。水泥中吸附外加剂能力：C3A>C4AF>C3S>C2S。其水化速率与其关系近似成正比。当新鲜水泥存放一段时间后，由于其中f-CaO减少，使混凝土拌合物需水量减少，坍落度损失减缓，从而改善了混凝土外加剂与水泥适应性；水泥中亲水性掺合料保水性好。火山灰质水泥保水性差，易泌水。一般，水泥需水量大小和坍落度损失大小按规律：PⅠ.PⅡ>P.O>P.S>P.F>P.P。泌水性正好与其相反。

2）细度

水泥过细，水化速度快，需水量大，保水性好，但其坍落度损失快，而且水泥过细，混凝土收縮大，含气量下降，降低了混凝土的抗渗抗冻耐久性。

3）石膏

（1）石膏细度不够，使石膏溶解度不够，产生速凝。

（2）石膏用量不够，不能有效控制C3A的水化。

（3）石膏形态

一般在混凝土中CaSO4.2H2O调凝效果优于CaSO4.1/2H2O。石膏与熟料的粉磨温度通常较高，从而使二水石膏脱水或半水石膏再脱水成硬石膏，从而导致混凝土外加剂与水泥适应性较差。

三、其他外在因素

（1）掺和料

通常掺粉煤矿灰或磨细矿渣有利于新拌混凝土的流动性，而且使其坍落度损失减缓。但是需水量比的关系为Ⅰ级>Ⅱ级>Ⅲ级。故Ⅰ级灰坍落度损失小但保水性差，易泌水。通常掺膨剂的混凝土其坍落度损失快，水泥与混凝土外加剂适应性较差。烧失量也是一个重要的指标，若烧失量大吸附引气减水剂的能力就强，反之亦然。所以一定要严加控制掺合料质量。

（2）温度、湿度

由于温度高，水泥水化速度加快，而且混凝土表面水分蒸发加快，混凝土内游离水通过毛细管源源不断地补充到混凝土表面。这样，一方面水泥水化加快，一方面混凝土游离水大量被蒸发而减少，从而使新拌混凝土坍落度损失加快。而且某些混凝土外加剂的缓凝效果在30℃以上作用大大降低。如有机酸在高温下对C3S缓凝效果大降低。醇酮酯在高温下，对C3S的缓凝效果较好。因此，在高温下，大多需要提高混凝土外加剂的掺量和防止水分蒸发。

（3）施工中配比

虽然看似是设计问题，但它对混凝土外加剂与水泥适应性的影响很大。据有关资料和试验表明，砂率过高会使混凝土拌合物流动性降低，保塑性降低，坍落度损失加快。在混凝土配比中，石子的形状吸水量级配也严重影响混凝土的和易性和可密实成型性。在实验中W/C降低将提高混凝土的强度，而在低W/C下，有一最佳级浆比，在最佳级浆比条件下，混凝土外加剂对水泥混凝土的各项性能能充分发挥出来使混凝土拌合物的保水性能保塑性等工作性状态改善，更重要的是保证了SO42-水泥在水化时，石膏有足够的溶解用水，从而保证了的浓度，使与水泥适应性得到了改善。因此，只要我们根据实际施工需要适时地调整引气减水剂的掺加工艺和掺量。比如，当混凝土掺合物坍落度损失太快时，适当增加混凝土外加剂掺量。当混凝土严重泌水，适量减少混凝土外加剂掺量。适当调整引气减水剂的配方，使外加剂对石膏的溶解度影响小，并能提高石膏的溶解度，有效地控制SO42-的浓度。能产生效果的物质有HCl、H2SO4、HNO3及其盐类硅氟酸钠、NaF、NaCl。特别是对硬石膏作调凝剂的水泥，更应注意减少或不用木钙、糖钙这类使石膏溶解度降低的物质。在引气减水剂中使用反应性高分子物质，并适当复配相应的保水、缓凝、保塑组分。

更重要的是调整混凝土配比。根据不同工程及设计要求调整好施工配比。引气减水剂只能使较合理配比的混凝土性能得到改善，却不能使配比不合理、质量差的混凝土性能得到改善。毕竟说到底它就是一种表面活性剂的物质，不是什么万能剂，用那那好。在严重泌水的混凝土中适量掺加部份掺合料或适当提高砂率或适当降低缓凝成份。在混凝土坍落度损失率较高的混凝土中，适当增加引气减水剂的掺量，使其初始坍落度增大或者说微勃稠度增大，这样有助于提高石膏的溶解度，防止水分蒸发过快，混凝土拌合物中游离水严重不足的现象产生。尽量降低f-CaO、MgO、CaSO4的含量，有效控制C3A、SO42-、OH-的平衡。使混凝土中C3A<8%

四、结束语

综上所述，引气减水剂在道面混凝土中的应用不是不合适，而是我们没有很好的掌握和应用。就像商混一样，外加剂已经成为其混凝土不可或缺的组份，从节省资源和减轻劳动强度的角度出发，引气减水剂在工程混凝土中的大力推广和应用是必然的趋势。因此，要确保工程质量、发展长寿命低维护的混凝土，我们广大混凝土工作者任重而道远。