《道路建筑材料》課程中教學的水泥混凝土外加劑

張增平 王力

摘 要：水泥混凝土外加劑在改善水泥混凝土的工程性能方面有著顯著的作用，在《道路建筑材料》課程教學中需對學生詳述外加劑作用原理，以便學生更好地掌握水泥混凝土外加劑。

關鍵詞：水泥混凝土外加劑;減水劑;調凝劑;引氣劑;膨脹劑

1.引言

近幾年我國基礎設施建設取得了跨越式的發展，基礎設施的建設離不開水泥混凝土的應用。目前，水泥混凝土已被廣泛應用于市政、交通、水利、園林等行業。隨著建筑行業的迅猛發展，對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劑來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，而為了保證施工質量，對水泥混凝土外加劑的使用也越來越頻繁。為了使學習《道路建筑材料》的學生在日后的工程實踐中可以更好地應用水混凝土外加劑，應在教學過程中闡明外加劑的分類及在混凝土中作用機理。

2.水泥混凝土外加劑的發展

混凝土外加劑是指為了改善混凝土的性能而在混凝土拌和前或拌和過程中加入除膠凝材料、骨料、水和纖維組分以外的材料。自1824年英國的泥瓦匠Joseph Aspdin申請了波特蘭水泥專利以來，水泥作為世界上應用最為廣泛的建筑材料之一，已經取得了巨大的發展。為了降低水泥混凝土的成本及提高其耐久性，人們通過在水泥混凝土中添加外加劑來改善其工作性能。早在20世紀30年代初，美國、英國、日本等發達國家已將防凍劑、引氣劑、塑化劑和防水劑應用于公路、隧道、地下工程。在20世紀60年代日本開發出了以萘磺酸為基礎的高效減水劑，隨后西徳研制出三聚氰胺磺酸鹽型減水劑。在近代以來，對水泥混凝土外加劑技術的研究與突破為人們帶來了更多類型的高質量水泥混凝土產品。目前，常用的混凝土外加劑有減水劑、調凝劑、引氣劑、防凍劑、膨脹劑等。

3.水泥混凝土外加劑

3.1減水劑

減水劑是一種可以改善混凝土流變性能的外加劑，它可以在不影響混凝土塌落度的前提下減少拌和用水。在混凝土拌和時添加減稅劑可以降低水的用量，提高混凝土的和易性和提高混凝土強度。按原料及化學成分可將常見的減水劑分為：木質素磺酸鹽類、聚烷基芳基磺酸鹽類、糖蜜類、腐殖酸類。新型高效減水劑有丙烯酸聚合物、聚羧酸酯等。

減水劑的的作用機理主要是表面活性作用，減水劑通常由長鏈有機分子組成，在分子鏈上一段疏水，另一端親水，由此這些有機分子會在水泥與水的界面形成一層膜，這層膜減少了水泥顆粒之間的摩擦力，從而在顆粒間起到潤滑作用。同時水泥顆粒外側會有規律地吸附有機分子，使疏水側朝向水泥顆粒，這會使眾多的水泥顆粒表面帶有相同符號的電荷，電荷間的排斥力會更好的讓水泥顆粒分散在水泥漿體中。最后，摻加減水劑可以降低水泥漿體系界面張力，使水泥顆粒更易被水浸潤，從而改善和易性。

3.2引氣劑

引氣劑是一種通過物理作用，使混凝土在攪拌過程中產生大量微小氣泡的外加劑并保留到硬化混凝土中的外加劑。引氣劑可以改善混凝土的和易性，增強耐久性，同時使其具有更好的抗凍性并減少離析和泌水。但引氣劑使混凝土中產生大量微氣泡后會降低混凝土的強度。常見的引氣劑有：松香樹脂類、烷基和烷基芳烴磺酸鹽類、脂肪醇磺酸鹽類、非離子聚醚類、皂苷類等。

引氣劑大多選用陰離子表面活性劑，其憎水基會對空氣產生定向吸附，親水基向水泥和水界面或其他水化粒子吸附。憎水基側對空氣的吸附作用會降低水的表面張力，在水泥混凝土的拌和過程中產生大量微小氣泡，并在電荷作用下均勻分布。同樣采用陽離子活性劑時也會有微氣泡形成，但其引氣效率和特性會有所差異。

3.3調凝劑

調凝劑指通過阻礙或促進水泥水化反應來調節混凝土凝結時間的外加劑。常用的調凝劑有早強劑和緩凝劑兩大類，其中早強劑可以加快混凝土的凝結時間從而提高混凝土早期強度，緩凝劑可以延緩鋁酸三鈣的水化或水泥石的凝結硬化從而延緩水泥混凝土的凝結時間。早強劑的種類眾多，代表性的早強劑有氯化鈣、硫酸鈣、以及三乙醇胺。緩凝劑有木質素磺酸鹽類、羥基羧酸類、糖類及碳水化合物類、無機鹽類等。

早強劑根據其種類不同，其作用機理也不同。氯鹽類早強劑溶于水后會電離出氯離子，硅酸三鈣和硅酸二鈣表面會吸附氯離子，使水泥顆粒分散度增大，有利于早期水化反應的進行。同時，氯鹽類早強劑還可以與鋁酸三鈣作用生成不溶于水的水化產物或加速水化反應，促進水泥的凝結硬化，增強其早期強度。硫酸鹽類主要依靠硫酸鹽與氫氧化鈣的反應生成氫氧化鈉和細度更細的硫酸鈣，加速水化硫鋁酸鈣和硫鋁酸鈣的形成從而達到早強的效果。三乙醇胺能促進鋁酸三鈣和石膏的反應，加速硫鋁酸鈣的形成，其與無機鹽復合添加時，早強劑的效果更好。

緩凝劑加入水泥混凝土中后，緩凝劑分子吸附于水泥表面，形成一層阻礙水泥水化的膜，一定時間后，這層膜分解后，水化反應可以繼續進行，使水泥形成強度達到緩凝的效果。羥基羧酸類是由于水泥中的鋁酸三鈣吸附羥基羧基分子后減慢了鈣礬石的生成結晶，降低水泥凝結硬化效率。

3.4防凍劑

防凍劑是在負溫條件下為使混凝土正常硬化并達到使用強度的一種外加劑。防凍劑可以顯著降低水泥混凝土的冰點，使其在負溫條件下部分凍結或不凍結，可以正常進行水化反應并達到預期強度。常見的防凍劑有氯鹽防凍劑和非氯鹽類防凍劑兩大類。

防凍劑不僅可以通過化學作用降低水泥混凝土中液相的冰點并且可以與被溶解物質與水分子形成穩定組分。當水要轉化為冰時，除需降低水分子溫度外還需消耗能量把水從溶劑化物中分離。與此同時，添加防凍劑后，生成的冰結構存在缺陷，結晶度很低，薄片結構的冰強度也很低，對混凝土的強度影響很低。

3.5膨脹劑

膨脹劑指在混凝土硬化過程中通過一系列化學反應，使混凝土發生體積膨脹的外加劑。其主要用于補償收縮混凝土和自應力混凝土中來防止水泥混凝土開裂或提高其抗裂強度，膨脹劑的加入還可以提升混凝土的防水能力。膨脹劑主要分為硫鋁酸鈣類、石灰類、鐵粉類等。

硫鋁酸鈣類膨脹劑主要依靠成分中的藍方石、游離石灰、游離無水石膏之間發生化學反應生成鈣礬石結晶體，使水泥硬化時，體積發生膨脹，當有鋼筋或其他約束作用時，內部產生一定的自應力，從而補償混凝土的收縮作用達到減少收縮裂縫的作用。石灰類膨脹劑在氧化鈣和水反應生成凝膠狀氫氧化鈣時發生一定的體積膨脹，并在氫氧化鈣重結晶是發生二次膨脹。鐵粉類膨脹劑是利用鐵粉在氧化過程中生成氧化物產生的膨脹效果，這些氧化物溶解后隨著水泥水化反應的進行還會堿反應生成氫氧化鐵，氫氧化鐵的生成也會為混凝土帶來膨脹效果。

4.結束語

水泥混凝土是一種非常重要的基礎建設材料，道路工程的建設離不開水泥混凝土的使用，而水泥混凝土外加劑的使用對混凝土的性能影響顯著。交通運輸工程專業的學生需要做到對不同類型的混凝土外加劑分類及作用原理做到熟練掌握，才能在日后的工程實踐中合理選用外加劑，打造出兼具經濟與優質的工程項目。因此，在教學活動中要注重學生對混凝土外加劑作用原理的學習，讓學生深刻認識到不同種類的外加劑對混凝土性能影響各有不同以便其在未來工作崗位上能合理使用水泥混凝土外加劑。

參考文獻：

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作者簡介：

1.張增平，男，1981年10月生，陜西藍田人，博士。工作單位：長安大學公路學院道路工程所。職稱：教授。研究方向：道路工程材料。