《道路建筑材料》课程中教学的水泥混凝土外加剂

张增平 王力

摘 要：水泥混凝土外加剂在改善水泥混凝土的工程性能方面有着显著的作用，在《道路建筑材料》课程教学中需对学生详述外加剂作用原理，以便学生更好地掌握水泥混凝土外加剂。

关键词：水泥混凝土外加剂;减水剂;调凝剂;引气剂;膨胀剂

1.引言

近几年我国基础设施建设取得了跨越式的发展，基础设施的建设离不开水泥混凝土的应用。目前，水泥混凝土已被广泛应用于市政、交通、水利、园林等行业。随着建筑行业的迅猛发展，对水泥混凝土性能的要求也日益提升，需要在水泥混凝土中添加水泥混凝土外加剂来改善混凝土的工程性能。道路工程每年都要需要消耗大量水泥混凝土，而为了保证施工质量，对水泥混凝土外加剂的使用也越来越频繁。为了使学习《道路建筑材料》的学生在日后的工程实践中可以更好地应用水混凝土外加剂，应在教学过程中阐明外加剂的分类及在混凝土中作用机理。

2.水泥混凝土外加剂的发展

混凝土外加剂是指为了改善混凝土的性能而在混凝土拌和前或拌和过程中加入除胶凝材料、骨料、水和纤维组分以外的材料。自1824年英国的泥瓦匠Joseph Aspdin申请了波特兰水泥专利以来，水泥作为世界上应用最为广泛的建筑材料之一，已经取得了巨大的发展。为了降低水泥混凝土的成本及提高其耐久性，人们通过在水泥混凝土中添加外加剂来改善其工作性能。早在20世纪30年代初，美国、英国、日本等发达国家已将防冻剂、引气剂、塑化剂和防水剂应用于公路、隧道、地下工程。在20世纪60年代日本开发出了以萘磺酸为基础的高效减水剂，随后西徳研制出三聚氰胺磺酸盐型减水剂。在近代以来，对水泥混凝土外加剂技术的研究与突破为人们带来了更多类型的高质量水泥混凝土产品。目前，常用的混凝土外加剂有减水剂、调凝剂、引气剂、防冻剂、膨胀剂等。

3.水泥混凝土外加剂

3.1减水剂

减水剂是一种可以改善混凝土流变性能的外加剂，它可以在不影响混凝土塌落度的前提下减少拌和用水。在混凝土拌和时添加减税剂可以降低水的用量，提高混凝土的和易性和提高混凝土强度。按原料及化学成分可将常见的减水剂分为：木质素磺酸盐类、聚烷基芳基磺酸盐类、糖蜜类、腐殖酸类。新型高效减水剂有丙烯酸聚合物、聚羧酸酯等。

减水剂的的作用机理主要是表面活性作用，减水剂通常由长链有机分子组成，在分子链上一段疏水，另一端亲水，由此这些有机分子会在水泥与水的界面形成一层膜，这层膜减少了水泥颗粒之间的摩擦力，从而在颗粒间起到润滑作用。同时水泥颗粒外侧会有规律地吸附有机分子，使疏水侧朝向水泥颗粒，这会使众多的水泥颗粒表面带有相同符号的电荷，电荷间的排斥力会更好的让水泥颗粒分散在水泥浆体中。最后，掺加减水剂可以降低水泥浆体系界面张力，使水泥颗粒更易被水浸润，从而改善和易性。

3.2引气剂

引气剂是一种通过物理作用，使混凝土在搅拌过程中产生大量微小气泡的外加剂并保留到硬化混凝土中的外加剂。引气剂可以改善混凝土的和易性，增强耐久性，同时使其具有更好的抗冻性并减少离析和泌水。但引气剂使混凝土中产生大量微气泡后会降低混凝土的强度。常见的引气剂有：松香树脂类、烷基和烷基芳烃磺酸盐类、脂肪醇磺酸盐类、非离子聚醚类、皂苷类等。

引气剂大多选用阴离子表面活性剂，其憎水基会对空气产生定向吸附，亲水基向水泥和水界面或其他水化粒子吸附。憎水基侧对空气的吸附作用会降低水的表面张力，在水泥混凝土的拌和过程中产生大量微小气泡，并在電荷作用下均匀分布。同样采用阳离子活性剂时也会有微气泡形成，但其引气效率和特性会有所差异。

3.3调凝剂

调凝剂指通过阻碍或促进水泥水化反应来调节混凝土凝结时间的外加剂。常用的调凝剂有早强剂和缓凝剂两大类，其中早强剂可以加快混凝土的凝结时间从而提高混凝土早期强度，缓凝剂可以延缓铝酸三钙的水化或水泥石的凝结硬化从而延缓水泥混凝土的凝结时间。早强剂的种类众多，代表性的早强剂有氯化钙、硫酸钙、以及三乙醇胺。缓凝剂有木质素磺酸盐类、羟基羧酸类、糖类及碳水化合物类、无机盐类等。

早强剂根据其种类不同，其作用机理也不同。氯盐类早强剂溶于水后会电离出氯离子，硅酸三钙和硅酸二钙表面会吸附氯离子，使水泥颗粒分散度增大，有利于早期水化反应的进行。同时，氯盐类早强剂还可以与铝酸三钙作用生成不溶于水的水化产物或加速水化反应，促进水泥的凝结硬化，增强其早期强度。硫酸盐类主要依靠硫酸盐与氢氧化钙的反应生成氢氧化钠和细度更细的硫酸钙，加速水化硫铝酸钙和硫铝酸钙的形成从而达到早强的效果。三乙醇胺能促进铝酸三钙和石膏的反应，加速硫铝酸钙的形成，其与无机盐复合添加时，早强剂的效果更好。

缓凝剂加入水泥混凝土中后，缓凝剂分子吸附于水泥表面，形成一层阻碍水泥水化的膜，一定时间后，这层膜分解后，水化反应可以继续进行，使水泥形成强度达到缓凝的效果。羟基羧酸类是由于水泥中的铝酸三钙吸附羟基羧基分子后减慢了钙矾石的生成结晶，降低水泥凝结硬化效率。

3.4防冻剂

防冻剂是在负温条件下为使混凝土正常硬化并达到使用强度的一种外加剂。防冻剂可以显著降低水泥混凝土的冰点，使其在负温条件下部分冻结或不冻结，可以正常进行水化反应并达到预期强度。常见的防冻剂有氯盐防冻剂和非氯盐类防冻剂两大类。

防冻剂不仅可以通过化学作用降低水泥混凝土中液相的冰点并且可以与被溶解物质与水分子形成稳定组分。当水要转化为冰时，除需降低水分子温度外还需消耗能量把水从溶剂化物中分离。与此同时，添加防冻剂后，生成的冰结构存在缺陷，结晶度很低，薄片结构的冰强度也很低，对混凝土的强度影响很低。

3.5膨胀剂

膨胀剂指在混凝土硬化过程中通过一系列化学反应，使混凝土发生体积膨胀的外加剂。其主要用于补偿收缩混凝土和自应力混凝土中来防止水泥混凝土开裂或提高其抗裂强度，膨胀剂的加入还可以提升混凝土的防水能力。膨胀剂主要分为硫铝酸钙类、石灰类、铁粉类等。

硫铝酸钙类膨胀剂主要依靠成分中的蓝方石、游离石灰、游离无水石膏之间发生化学反应生成钙矾石结晶体，使水泥硬化时，体积发生膨胀，当有钢筋或其他约束作用时，内部产生一定的自应力，从而补偿混凝土的收缩作用达到减少收缩裂缝的作用。石灰类膨胀剂在氧化钙和水反应生成凝胶状氢氧化钙时发生一定的体积膨胀，并在氢氧化钙重结晶是发生二次膨胀。铁粉类膨胀剂是利用铁粉在氧化过程中生成氧化物产生的膨胀效果，这些氧化物溶解后随着水泥水化反应的进行还会碱反应生成氢氧化铁，氢氧化铁的生成也会为混凝土带来膨胀效果。

4.结束语

水泥混凝土是一种非常重要的基础建设材料，道路工程的建设离不开水泥混凝土的使用，而水泥混凝土外加剂的使用对混凝土的性能影响显著。交通运输工程专业的学生需要做到对不同类型的混凝土外加剂分类及作用原理做到熟练掌握，才能在日后的工程实践中合理选用外加剂，打造出兼具经济与优质的工程项目。因此，在教学活动中要注重学生对混凝土外加剂作用原理的学习，让学生深刻认识到不同种类的外加剂对混凝土性能影响各有不同以便其在未来工作岗位上能合理使用水泥混凝土外加剂。

参考文献：

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[4]张冠伦.混凝土外加剂[J].混凝土，1981（02）：59-66.

[5]Malhotra，V.M.Advances in concrete technology[M].Natural Resources Canada，1994.

作者简介：

1.张增平，男，1981年10月生，陕西蓝田人，博士。工作单位：长安大学公路学院道路工程所。职称：教授。研究方向：道路工程材料。