浅论混凝土减水剂对混凝土的影响

  浅论混凝土减水剂对混凝土的影响

刘庆萍

身份证:610582198701172027

摘要：减水剂对水泥有强烈分散作用，能大大提高水泥拌合物流动性和混凝土坍落度，同时大幅度降低用水量，显著改善混凝土工作性。本文主要讨论了减水剂对新拌混凝土性能及水泥水化动力学的影响。

关键词：高效减水剂；混凝土；性能；影响

引言：减水剂主要适用于各类工业与民用建筑、水利、交通、港口、市政等工程中的预制和现浇筑钢筋混凝土；适用于高强、超高强和中等强度混凝土，以及要求早强、适度抗冻、大流动性混凝土；适用于蒸养工艺的预制混凝土构件；适用于做各种复合型外加剂的减水增强组分（即母料）。在混凝土坍落度基本相同的条件下能大幅度减少拌合水量的外加剂称为高效减水剂。

一、高效减水剂对新拌混凝土的作用

一是减水作用。混凝土中掺人高效减水剂后，可在保持流动性的条件下显著地降低水灰比。高效能减水剂的减水率可达10%～25%，而普通减水剂的减水率为5%～15%，高效减水剂亦因此而得名。产生减水作用的原因主要是由于混凝土对减水剂的吸附和分散作用。水泥在加水搅拌以及凝结硬化过程中，会产生一些絮凝状结构。产生絮凝状结构的原因很多，可能是由于水泥矿物（C3A、C4AF、C3S、C2S）在水化过程中所带电荷不同，因产生异性电荷相吸引而絮凝；也可能是由于水泥颗粒在溶液中的热运动，在某些边棱角处互相碰撞、吸附、相互吸引而形成絮凝状结构；还有如粒子间的范德华引力作用以及水解水化反应初期也会引起絮凝。在这些絮凝状结构中，包裹着很多拌合水，从而减少了水泥水化所需的水量，降低了新拌混凝土的和易性。施工中为了保持新拌混凝土所需的和易性，就必须在拌合时相应地增加用水量，这就会促使水泥石结构中形成过多的孔隙，从而严重影响着硬化混凝土的一系列物理力学性能，若能将这些多余的水分释放出来，混凝土的拌合用水量就可大大减少，在制备混凝土的过程中掺人适量减水剂，就能很好地起到这种作用。研究表明，加入减水剂后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥质点表面，亲水基团指向水溶液，组成了单分子或多分子吸附膜。由于表面活性剂分子的定向吸附，使水泥质点表面上带有相同符号的电荷，于是在电性斥力的作用下，使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，使絮凝状凝聚体内的游离水释放出来，从而达到减水的目的。

二是塑化作用。混凝土中掺人减水剂后，可在保持水灰比不变的情况下增加流动性。一般的减水剂在保持水泥用量不变情况下，使新拌混凝土坍落度增大10cm以上，高效能减水剂可配制出坍落度达到25cm的混凝土。塑化作用除了前面提到的吸附分散引起的效果外，还有湿润和润滑作用。

三是湿润作用：水泥加水拌合后，颗粒表面被水所湿润，其湿润状况对新拌混凝土的性能影响甚大，当这类扩散湿润自然进行时，可由Glbbs提出的方程计算出表面自由能减少的数量。

四是润滑作用：减水剂中的极性亲水基团定向吸附于水泥颗粒表面，很容易和水分子以氢键形式缔合。这种氢键缔合作用的作用力远远大于水分子与水泥颗粒间的分子引力。当水泥颗粒吸附足够的减水剂后，借助于R-SO3θ与水分子中氢键的缔合作用，再加上水分子间的氢键缔合，使水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂化水膜，这层膜起到了立体保护作用，阻止了水泥颗粒间的直接接触，并在颗粒间起润滑作用。减水剂的加入，伴随着引入一定量的气泡（即使是非引气型的减水剂，也会引入少量气泡）。这些微细气泡被减水剂定向吸附的分子膜所包围，并与水泥质点吸附膜带有相同符号的电荷，因而气泡与水泥颗粒间也因电性斥力而使水泥颗粒分散，从而增加了水泥颗粒间的滑动能力（如滚珠轴承作用）。这种作用对掺加引气型减水剂的混凝土更为明显。由于减水剂的吸附分散作用，湿润作用和润滑作用，只要使用少量的水就能容易地将混凝土拌合均匀，从而改善了新拌混凝土的和易性。

二、减水剂对硬化水泥石结构的影响

（1）由于减水剂的分散作用，使水泥粒子更多保持隔离状态，使水化初期增大了水泥粒子反应面积，减水剂分散作用愈好此效果愈明显。这阶段水泥水化反应以溶解――水化――结晶过程方式进行。除了表面积外，还有盐效应、形成不稳定络合物等均使溶解度加大，加速水泥的溶解过程，从而使水化物增多。虽然减水剂的成膜会阻碍反应进行，但其影响较小，其综合效果是加大了初期水化反应速度。

（2）水泥终凝后具有一定的几何形状。在最初阶段形成的主要是发育得不够好的微晶凝聚体，或称水化物凝胶。这些尺寸很小的微晶，无规则地沉积于水泥熟料颗粒表面上。继续水化使这些微晶呈辐射状向外生长，形成纤维状晶体，末端尖细而有岔。这些纤维状晶体在水泥粒子周围生长形成了许多大小不等的孔隙，中间包裹水分。继续水化使纤维状晶体再向外伸长，使水泥粒子相互搭接而形成三度空间网络结构。进一步水化使网络结构逐渐密实而增加了强度。

（3）减水剂对胶凝体向结晶体的转变过程有些延缓，这是由于减水剂使溶解度加大，溶解速度加快。使初期加有减水剂后有更多处于亚稳状态的微晶凝聚体，而表面的一层减水剂膜阻碍并延缓了微晶向结晶态的转化过程。从热力学稳定性看，小颗粒表面积大，表面自由能

Z值高，热力学状态是不稳定的，微晶凝聚体会自动溶解而重新沉积于晶体表面上使其入减水剂，它降低了固液界面长大。加的界面能，使变化过程的自由能变化（-△Z）要小些，这就使凝胶体转化过程的趋势减弱。

（4）随着反应进行，水化产物逐渐积聚于水泥颗粒表面上。前一阶段速度愈快，产物就愈多，覆盖于水泥颗粒上的水化物也愈多，但它还未构成对反应速度的主要控制因素。此阶段，水化反应仍以溶解反应过程为主，而溶液已基本上达到饱和，控制反应速度的离子扩散速度近于常数，几种作用综合效果使水化反应速度保持不变。加入减水剂，形成络合物将影响反应物参加反应的能力；形成的膜也妨碍水化反应；减水剂对水分子的缔合作用将影响水分子的运动，前一阶段水化产物的多少也对这阶段速度有所影响。因此，加入减水剂将使这一阶段水泥水化反应速度减慢。

（5）在水化反应中后期，水化产物达到一定厚度后，水分子穿过水化产物层的扩散速度将成为控制水化反应的主要因素，水化反应以固相反应方式进行。加入减水剂，使毛细孔中的水成为有一定减水剂浓度的溶液，由于渗透压对扩散的反作用，将阻碍水分子向水化产物层中扩散，使毛细孔孔径变小，将增大孔中水分的内聚力，对水分子有束缚作用，再加上络合、成膜等作用，减水剂使水泥中后期水化反应速度减慢了。

（6）从孔结构看，减水剂主要目的之一是减少用水量，这使硬化水泥石中毛细孔径变小，孔隙体积减少。而在不减少用水量时，由于分散作用及抑制结晶作用，虽然总孔隙体积改变不大，但使毛细孔径变小，这对水泥石强度的提高将产生明显的影响。

参考文献：

[1]田培，王玲.国家标准GB8076-2008《混凝土外加剂》应用指南[M].中国标准出版社，2016.

[2]阮承祥.《混凝土外加剂及工作原理》[M].江西科学技术出版社，2015.

[3]陈建奎.《混凝土外加剂原理与应用》中国计划出版社，2015.