添加劑對水泥混凝土耐久性能的改善機理研究

張力川

摘要：旨主要圍繞添加劑對水泥混凝土耐久性能的改善機理展開研究，通過分析水泥混凝土的組成和結構特點，以及礦物摻合料、緩凝劑和膨脹劑對水泥混凝土性能的影響，揭示了改善水泥混凝土耐久性的關鍵因素。分別探討了礦物摻合料、緩凝劑和膨脹劑對水泥混凝土耐久性能的影響與作用機理，礦物摻合料影響了水泥混凝土的流動性、力學性能、抗?jié)B性、抗凍性和收縮性能；緩凝劑對水泥混凝土的流動性、強度、干縮性能和抗?jié)B性能產生影響；膨脹劑則影響了水泥混凝土的力學性能、抗?jié)B性能、抗碳化性能、抗硫酸鹽侵蝕性能以及抗凍融循環(huán)性能。

關鍵詞：水泥混凝土?添加劑?耐久性能?礦物摻合料?緩凝劑?膨脹劑

中圖分類號：TU528

Research?on?the?Improvement?Mechanism?of?Additives?on?the?Durability?Performance?of?Cement?Concrete

ZHANG?Lichuan

（Guizhou?Industry?Polytechnic?College，Guiyang，Guizhou?Province，550001?China）

Abstract：?The?paper?mainly?studies?the?improvement?mechanism?of?additives?on?the?durability?of?cement?concrete.?It?reveals?key?factors?to?improve?the?durability?of?cement?concrete?by?analyzing?its?composition?and?structural?characteristics，?as?well?as?the?effects?of?mineral?admixtures，?retarding?agents?and?expanding?agents?on?its?properties.?It?discusses?the?effects?and?mechanisms?of?mineral?admixtures，?retarders?and?expanding?agents?on?the?durability?of?cement?concrete，?respectively：?mineral?admixtures?affect?its?fluidity，?mechanical?properties，?anti-permeability，?anti-frost?properties?and?shrinkage?properties，?retarders?affect?its?fluidity，?strength，?dry?shrinkage?properties?and?anti-permeability，?and?expanding?agents?affect?its?mechanical?properties，?anti-permeability，?anti-carbonation?properties，?sulphate?erosion?resistance?properties?and?freezing-thawing?cycle?resistance?properties.

Key?Words：?Cement?concrete;?Additive;?Durability;?Mineral?admixture;?Retarder;?Expanding?agent

水泥混凝土作為建筑材料中的重要組成部分，其耐久性能直接影響建筑物的使用壽命和安全性。研究水泥混凝土的耐久性能及其改良機制，對提高建筑材料的質量、增強抗久性能具有重要意義。其中，添加劑作為改良水泥混凝土性能的關鍵手段之一，對其耐久性能產生著重要的影響。因此，深入研究添加劑對水泥混凝土耐久性能的改善機理，對推動建筑材料領域的技術進步具有重要意義。

1?水泥混凝土的耐久性能概述

1.1?水泥混凝土的組成和結構特點

水泥混凝土是一種由水泥、骨料、水和外加劑按一定比例配制并在模具中凝結而成的人工石材。其主要組成包括水泥、骨料和水。水泥是水泥混凝土的膠凝材料，通過水化反應形成膠凝體，使骨料黏結成整體。骨料是水泥混凝土的骨架材料，它占混凝土總體積的70%～80%，承受著混凝土的主要荷載?[1]。水則是水泥水化反應的溶劑，其用量應控制在適宜范圍內以保證混凝土的工作性能。

水泥混凝土的結構特點主要表現(xiàn)在其內部密實的骨料排列結構，以及水泥凝固后形成的均勻連續(xù)的水泥凝膠，這種結構使得水泥混凝土具有一定的抗壓、抗拉性能，同時也決定了它的成型性、耐久性和抗?jié)B性。

1.2?水泥混凝土的耐久性能

水泥混凝土的耐久性能是指其在長期使用和環(huán)境作用下不發(fā)生破壞、逐漸老化的能力。水泥混凝土的耐久性能受多種因素影響，包括外部環(huán)境、材料本身的性能以及施工質量等。常見的耐久性能指標包括抗?jié)B性、抗凍性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗碳化性等?[2]。

抗?jié)B性是衡量水泥混凝土耐久性的重要指標之一，它直接關系著混凝土內部的結構是否穩(wěn)固，抗壓強度是否持久。水泥混凝土抗凍性是指在受到凍融循環(huán)作用下，混凝土不會出現(xiàn)明顯的破壞和性能下降。抗硫酸鹽侵蝕性和抗碳化性則分別指混凝土在硫酸鹽和二氧化碳環(huán)境中的抵抗能力。

2?礦物摻合料對水泥混凝土耐久性的影響

2.1?礦物摻合料對水泥凈漿流動性的影響

礦物摻合料在水泥混凝土中起到填充和顆粒間互相作用的作用，對水泥凈漿的流動性有一定影響。首先，礦物摻合料的添加能夠改變凈漿的流動性質。礦物摻合料顆粒的形狀、粒度分布和表面性質等因素會直接影響水泥凈漿的流動性。例如：細度較高的礦物摻合料可以填充水泥膠凝體間的間隙，增加凝膠體系的內聚力，從而大幅度降低凈漿的流動性。其次，礦物摻合料的添加會改變水泥凈漿的水化特性。礦物摻合料中的活性成分參與了水泥水化反應，形成了新的水化產物，這些新的產物在水泥凈漿中會影響水泥顆粒的分散狀態(tài)和水泥膠凝體的形成過程，從而對凈漿的流動性產生影響。

2.2?礦物摻合料對水泥膠砂力學性能的影響

礦物摻合料的添加對水泥膠砂的力學性能具有顯著的影響。首先，礦物摻合料的添加可以改善水泥膠砂的力學強度。礦物摻合料中的顆粒填充了水泥膠砂顆粒間的間隙，增加了膠凝體系的整體密實性，并有助于形成更為連續(xù)和穩(wěn)定的骨架結構。礦物摻合料中的活性成分還可以與水泥膠體發(fā)生化學反應，生成較強的水化產物，從而提高了膠砂的力學強度[3]。其次，礦物摻合料的加入對水泥膠砂的變形行為和穩(wěn)定性也產生影響，礦物摻合料可以減緩水泥膠砂的膠結硬化速率，延緩變形的發(fā)展，提高膠砂的變形能力，通過與水泥凈漿的共同作用，礦物摻合料也能改善水泥膠砂的物理和化學穩(wěn)定性，減少因外界環(huán)境因素（如溫度、濕度、酸堿性等）引起的力學性能衰減。

2.3?礦物摻合料對水泥混凝土抗?jié)B性能的影響

礦物摻合料對水泥混凝土的抗?jié)B性能具有顯著影響。一方面，礦物摻合料的細微顆粒填充了水泥混凝土中的微觀孔隙，降低了混凝土的孔隙率，從而減少了滲透介質（如水、化學物質等）通過混凝土的可能性，提高了抗?jié)B性。另一方面，礦物摻合料中的活性成分參與水泥水化反應，促進水泥水化產物的生成，形成致密膠凝體，進一步改善了水泥混凝土的抗?jié)B性能[4]。此外，礦物摻合料中的細微顆粒和水泥水化產物共同填充了混凝土的毛細孔道，減緩了水分和溶質的遷移速率，從而降低了混凝土的滲透性。

3?緩凝劑對水泥混凝土耐久性的影響

3.1?緩凝劑對水泥凈漿流動性的影響

緩凝劑是一種常用的混凝土外加劑，其主要作用是延緩水泥凈漿的凝結和硬化過程。緩凝劑的添加會對水泥凈漿的流動性產生影響。首先，緩凝劑的加入能延緩水泥凈漿的凝結時間，使凝結反應的進行更為緩慢，延長了凝膠體系的形成過程，增加了凈漿的流動時間，延遲凝結作用使得水泥顆粒之間的黏結力得以減小，從而增加了凈漿的流動性。其次，緩凝劑的加入影響水泥凈漿的流變性質，如黏度、流動性等。具體而言，緩凝劑對凈漿黏度的影響與其在凈漿中的化學反應有關。緩凝劑中的化學成分對凝準體系的膠體狀態(tài)起著重要作用，進而影響凝膠體系的黏度和流動性。

3.2?緩凝劑對水泥膠砂強度的影響

緩凝劑的添加對水泥膠砂的強度有一定影響。緩凝劑的主要作用是延緩水泥凈漿的凝結和硬化，從而影響水泥膠砂的強度發(fā)展過程。首先，緩凝劑的添加會延緩水泥凈漿的早期凝膠體系的形成。早期膠砂是水泥膠在充滿水的膠砂體系中形成的，其中膠體團主要是由水泥水化產物和未水化的水泥顆粒構成。緩凝劑的添加減緩了水泥凈漿的凝結速度，使早期膠砂形成的時間延遲，延遲凝結導致早期膠砂的強度發(fā)展緩慢，降低了膠砂的早期強度[5]。其次，緩凝劑的加入也會對水泥膠砂的長期強度發(fā)展產生影響。緩凝劑延緩了凝結和硬化過程，導致水泥膠砂的凝結時間更長，從而為凝結反應提供了更長的時間，促使水泥顆粒形成更為致密和結實的水化產物，使水泥膠砂具有更高的長期強度。

3.3?緩凝劑對水泥膠砂干縮性能的影響

緩凝劑的使用對水泥膠砂的干縮性能有一定的影響。干縮是指水泥混凝土在干燥過程中由于水分蒸發(fā)而導致的體積收縮。緩凝劑的添加會對水泥膠砂的干縮性能產生影響。首先，由于緩凝劑延緩了水泥凈漿的凝結過程，有效延長了水泥膠砂的凝膠形成時間，減少了膠砂內的水分蒸發(fā)速度，降低了干縮的速率和程度。因此，緩凝劑的添加能在一定程度上減小水泥膠砂的干縮變形，減少由干縮引起的內部應力和裂縫的產生。其次，緩凝劑的使用也能改變水泥膠砂的孔隙結構和配位狀態(tài)，從而影響其干縮性能。緩凝劑中的化學成分與水泥凈漿中的水化產物發(fā)生化學反應，形成覆蓋層和填充效應，減少了水泥膠砂內部的孔隙，減小了膠砂的孔隙率和孔徑分布，使干縮過程中的內部應力分布更為均勻，降低了干縮引起的裂縫風險。

4?膨脹劑對水泥混凝土耐久性的影響

4.1?膨脹劑對水泥混凝土力學性能的影響

膨脹劑是一種混凝土外加劑，其主要作用是在混凝土中產生微小而穩(wěn)定的氣泡，從而改善混凝土的力學性能。膨脹劑的添加會對水泥混凝土的力學性能產生影響。首先，膨脹劑的加入能降低混凝土的密實度，增加混凝土的孔隙率。膨脹劑中的化學成分會與混凝土中的水化產物發(fā)生反應，產生穩(wěn)定的氣泡，從而增加混凝土中的孔隙，氣泡在混凝土中形成了微觀的孔隙結構，提高了混凝土的孔隙率，孔隙結構降低了混凝土的體積密度，使混凝土表現(xiàn)出較低的干密度和較高的孔容率?[6]。其次，膨脹劑的添加并不一定導致混凝土強度的降低，因為混凝土的力學性能也受到其他因素的影響，如水泥種類、填料性質等。實際應用中，可以根據(jù)具體工程要求和設計需要，通過合理調控膨脹劑的摻量和配方，以達到所需的力學性能。

4.2?膨脹劑對水泥混凝土抗?jié)B性能的影響

膨脹劑是一種被廣泛應用于混凝土中的添加劑，通過產生微小而穩(wěn)定的氣泡，改善混凝土的抗?jié)B性能。首先，膨脹劑的加入增加混凝土中的孔隙率和孔徑分布。膨脹劑中的化學成分和水泥凈漿中的水化產物反應，產生穩(wěn)定的氣泡，從而形成微觀的孔隙結構，孔隙可以阻礙滲透介質（如水分和溶液）的滲透，減少相對滲透率。其次，膨脹劑的使用能改善混凝土的孔隙連通性。由于膨脹劑引入的氣泡在混凝土中形成連通的孔隙結構，使混凝土內的孔隙呈網狀連通狀態(tài)，孔隙結構通過毛細吸力效應阻礙滲透介質的移動，并減少滲透介質的流通路徑，從而提高了混凝土的抗?jié)B性能。

4.3?膨脹劑對水泥混凝土抗碳化性能的影響

膨脹劑的使用對水泥混凝土的抗碳化性能也產生了一定的影響。抗碳化性能是指混凝土抵抗二氧化碳侵入引起的碳化反應的能力。首先，膨脹劑的加入會增加混凝土的孔隙率和孔徑分布，膨脹劑中的化學成分與水泥凈漿中的水化產物反應，產生穩(wěn)定的氣泡，從而形成微觀的孔隙結構，氣泡在混凝土中形成連通的孔隙網絡，減少混凝土的致密度，增加混凝土的孔隙率，孔隙結構降低二氧化碳物質的滲透速度，減少碳化物的生成，從而提高混凝土的抗碳化性能。其次，膨脹劑的使用還能影響混凝土的飽和度，膨脹劑的加入引入微小的氣泡，形成孔隙結構，從而減少混凝土的自由水含量，可以降低混凝土的飽和度，減少二氧化碳侵入的可能性，提高了抗碳化性能。

5?結語

通過對添加劑對水泥混凝土耐久性能的研究，認識到添加劑對水泥混凝土性能的重要作用。礦物摻合料、緩凝劑和膨脹劑等添加劑在改善水泥混凝土耐久性方面具有顯著效果。其中，礦物摻合料可以調節(jié)水泥混凝土的流動性、強度和抗?jié)B性，緩凝劑可降低水泥混凝土的流動性、干縮性和抗?jié)B性，膨脹劑可改善水泥混凝土的力學性能、抗?jié)B性、抗碳化性和抗凍融循環(huán)性能。在未來的研究中，應進一步深入研究添加劑在水泥混凝土中的應用效果，優(yōu)化添加劑的類型和用量，并探究其與其他材料的復合應用，以進一步提高水泥混凝土的耐久性能。

參考文獻

[1] 馮忠居，陳思曉，徐浩，等.基于灰色系統(tǒng)理論的高寒鹽沼澤區(qū)混凝土耐久性評估[J].交通運輸工程學報，2018，18（6）：18-26.

[2] 榮華，王暢.基于微結構改造的水泥混凝土材料耐久性試驗研究[J].水利水電技術，2019，50（11）：155-159.

[3] 陳飛宏，張云，梁軍林，等.路面機制砂水泥混凝土的抗滑耐久性研究[J].混凝土，2021（10）：44-47.

[4] 梁學杰.環(huán)氧樹脂改性水泥混凝土的制備及耐久性實驗分析[J].功能材料，2023，54（3）：3217-3223.

[5] 張小平，劉燕，李新新，等.微膨脹型防腐劑對水泥混凝土耐久性的影響[J].新型建筑材料，2020，47（12）：15-18，34.

[6]郭慶林，宋照尚，葉其業(yè)，等.機制砂對機場道面水泥混凝土耐久性能的影響[J].混凝土，2023（2）：49-52，56.