1、混凝土外加剂与水泥的相容性混凝土外加剂与水泥的相容性及其对砼性能的影响及其对砼性能的影响主讲人：杨耀辉主讲人：杨耀辉 外加剂与水泥外加剂与水泥的相容性的相容性 l 相容性(compatibility) 是指共混物各组分彼此相互容纳，形成宏观均匀材料的能力。混凝土混凝土外加剂对混凝外加剂对混凝土性能的影响土性能的影响 l 工作性能l 力学性能 l 其他性能一、外加剂与水泥的相容性一、外加剂与水泥的相容性 影响影响因素因素相容性相容性相容性相容性不良的不良的影响影响测试测试方法方法1.相容性不良相容性不良的影响的影响初始初始流动性差、流动度经时损失流动性差、流动度经时损失快以及浆体快以及浆体 稳定
2、性稳定性差差，施工施工时不时不易振易振实，容易造成实，容易造成“蜂窝蜂窝”等等缺缺陷陷，影响影响混凝土的混凝土的密实度密实度混凝土混凝土均质性均质性差在差在初凝前易出现粗初凝前易出现粗骨料下骨料下 降、浆体上浮的分层降、浆体上浮的分层现象现象；导致导致混凝土后期强度混凝土后期强度下降下降，并且并且在在受外界环境影响和自身浆体水化影受外界环境影响和自身浆体水化影响时不同部响时不同部 分体积变化分体积变化不同，加剧不同，加剧了混凝土结构的了混凝土结构的开裂开裂保水性差，造成保水性差，造成混凝土离析、泌混凝土离析、泌水水p 四种组成材料在混凝土中所起的作用：四种组成材料在混凝土中所起的作用：砂、石：
3、砂、石：骨架作用；抑制混凝土的收缩骨架作用；抑制混凝土的收缩。水泥水水泥水水泥浆：水泥浆： 水泥浆在硬化前起润滑作用，赋予拌合物一水泥浆在硬化前起润滑作用，赋予拌合物一定的和易性，硬化后将骨料胶结成一个坚实定的和易性，硬化后将骨料胶结成一个坚实的整体。的整体。p 水泥浆包裹在砂粒的表面并填充砂粒间的空水泥浆包裹在砂粒的表面并填充砂粒间的空隙而形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹石子表隙而形成水泥砂浆，水泥砂浆又包裹石子表面并填充石子间的空隙，形成面并填充石子间的空隙，形成混凝土混凝土。凝结硬化前：凝结硬化前：起填析、润滑、包裹的作用起填析、润滑、包裹的作用凝结硬化后：凝结硬化后：起胶结作用起胶结作用水
4、泥浆水泥浆砂子砂子石子石子图1 外加剂与水泥相容性良好2.相容性试验方法步骤相容性试验方法步骤（1）（2）（3）（4）将将玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃玻璃板放置在水平位置，用湿布将玻璃 板、截锥形圆板、截锥形圆模、搅拌机及搅拌锅均匀擦拭，使其表模、搅拌机及搅拌锅均匀擦拭，使其表 面湿润且不带面湿润且不带水水滴滴；将将截锥圆模放在玻璃板中央，截锥圆模放在玻璃板中央，并用并用湿布覆盖待用。湿布覆盖待用。 称取称取水泥水泥600g，倒入搅拌锅内，加入一定，倒入搅拌锅内，加入一定 掺量的掺量的外加剂外加剂（在在推荐掺量范围推荐掺量范围内）与内）与210g的的水水，搅拌，搅拌 4min。 将拌制好
5、的净浆迅速注入截锥形模内，将拌制好的净浆迅速注入截锥形模内，并用并用刮刀刮平，将刮刀刮平，将截锥形圆模沿垂直方向提起，同时截锥形圆模沿垂直方向提起，同时开启开启秒表计时秒表计时至至30 s，取流动部分两个相互垂直取流动部分两个相互垂直方向的方向的最大直径，计算其平均值最大直径，计算其平均值作为净浆的流动度。作为净浆的流动度。保留锅内余下的净保留锅内余下的净浆浆，30 min与与60 min时，分别时，分别测定对应测定对应的流动度。的流动度。 按不同的外加剂掺量，重复以上的试验按不同的外加剂掺量，重复以上的试验步骤，记录步骤，记录相应的相应的数据。数据。绘制以掺量为横坐标、流动度为纵坐标的绘制以
6、掺量为横坐标、流动度为纵坐标的 曲线，通过曲线曲线，通过曲线分析外加剂掺量与流动度的关系及分析外加剂掺量与流动度的关系及 变化规律。变化规律。（5）（6）外加剂自身的外加剂自身的因素因素水泥的矿物组成对水泥的矿物组成对外加剂的外加剂的影响影响水泥熟料中调凝石水泥熟料中调凝石膏品种的膏品种的影响影响水泥细度和颗粒级水泥细度和颗粒级配的配的影响影响水泥的碱含量水泥的碱含量混合材与混合材与外加剂外加剂的的适应性适应性 气温、风力气温、风力对外加对外加剂的剂的影响影响骨料的骨料的影响影响主要主要因素因素3.影响外加剂影响外加剂与水泥适应性与水泥适应性的主要的主要因素因素（1）外加剂自身的因素 外加剂（
7、减水剂）的外加剂（减水剂）的品种不同、分子结构的不品种不同、分子结构的不 同、聚合度的不同、同、聚合度的不同、复配组分的不复配组分的不同同等，均等，均会影响其与水泥的适应性会影响其与水泥的适应性。 水泥的无机矿物颗粒由于水泥的无机矿物颗粒由于范德化范德化力力、不同、不同电荷的静电互相作用电荷的静电互相作用、水泥、水泥颗粒的表面颗粒的表面化学化学作用作用，导致，导致粒子形成聚集结构粒子形成聚集结构，束缚，束缚一部分水一部分水，不能，不能用于用于滑润水泥粒子滑润水泥粒子，也，也不能立即用于水化。加入不能立即用于水化。加入高效减水剂高效减水剂等外加剂等外加剂后后，由于由于吸附作用和电荷吸附作用和电荷
8、斥力斥力，使水泥粒子使水泥粒子分散分散，絮凝，絮凝结构解体结构解体，释，释放放束缚水并阻止粒子的束缚水并阻止粒子的表面表面相互作用相互作用，使，使水泥浆体的流动增大水泥浆体的流动增大，其，其增增加的大小加的大小与其与其技术性能及掺量有关。技术性能及掺量有关。图图2 混凝土用各种外加剂混凝土用各种外加剂n 水泥的矿物组成主要有硅酸三钙(C3S) 、硅酸二钙(C2S ) 、铝酸三钙(C3A) 、铁铝酸四钙(C4AF) 等，不同矿物组成主要是由生产水泥的原材料和生产工艺决定 的，水泥的矿物组成对外加剂的影响程度依次为：C3AC4AFC3SC2S。C3A水化反应水化反应快，早期快，早期强强 度提高度提
9、高快，需水量快，需水量大。若大。若 C3A含量过高含量过高(C3A含量含量 8%)，C3A吸附外加剂吸附外加剂的量的量大，外加剂大，外加剂的作用的作用损失大。损失大。原因原因：C3A和C4AF在水化初期其动电电位（Zeta电位）呈正值，因而较强、较多地吸附外加剂分子（阴离子表面活性剂），而C3S和 C2S在水化初期其动电电位呈负值，因而吸附外加剂的能力较弱。水泥中C3A和C4AF的比例越大，则外加剂的分散效果越差 。（2）水泥的矿物组成对外加剂的影响（3）水泥熟料中调凝石膏品种的影响水泥生产中需要加入石膏来调节水泥的凝结时间。调凝石膏对外加剂的影响程度依次为 ：无水石膏无水石膏半水石膏半水石膏
10、 二水石膏二水石膏。v 表1中编号1的水泥掺入超塑化剂后，超塑化剂超塑化剂与天然无水石膏与天然无水石膏相互作用相互作用，减少了SO42-离子的溶出量，因而造成水泥浆体流动性的损失；对于编号2的水泥，无论掺加或不掺加超塑化剂，半半水石膏和水石膏和二水二水石膏均有石膏均有控制控制C3A水化水化的足的足够够的的SO42-离子离子；对于编号3的水泥，由于高含量半水石膏的水化导致假凝，掺入超塑化剂后，降低降低了半水石膏的水化了半水石膏的水化率率，从而改善了浆体的流动性。表1 不同形态石膏对水泥流变性能的影响图 3 水泥比表面积对减水剂塑化效果的影响a) 水泥水泥过细过细需水量大，会增加外加剂吸附量，外加
11、剂的损失量会增大；需水量大，会增加外加剂吸附量，外加剂的损失量会增大；b) 过细研磨时水泥的过细研磨时水泥的温度高温度高，会使更多的水合石膏分解成无水石膏，无水石膏，会使更多的水合石膏分解成无水石膏，无水石膏含量的提高，使水泥与外加剂的适应性变差；含量的提高，使水泥与外加剂的适应性变差；c) 若水泥的若水泥的颗粒级配不好颗粒级配不好，水泥净浆的泌水率大，水泥与外加剂适应性较差。，水泥净浆的泌水率大，水泥与外加剂适应性较差。（4）水泥细度和颗粒级配的影响 图3是采用嘉新水泥公司生产的水泥熟料与二水石膏配料进行粉磨后的试验结果。 （5）水泥的碱含量（6）混合材与外加剂的适应性 目前，我国80%以上
12、的水泥在粉磨时掺加了一定量的混合材，如火山灰、粉煤灰、矿渣粉、煤矸石和石灰石火山灰、粉煤灰、矿渣粉、煤矸石和石灰石等。由于混合材的品种、性质和掺量等的不同，外加剂的作用效果存在着较大差异 。减水剂对矿渣作为混合材的水泥的塑化效果优于纯硅酸盐水泥减水剂对矿渣作为混合材的水泥的塑化效果优于纯硅酸盐水泥，而对火山灰、煤矸石作为混合材的水泥的塑化效果较差。外加剂对掺不同混合材水泥的掺量有较大差异。若粉煤灰过细，也需要多一些的外加剂来分散粉煤灰颗粒。若粉煤灰过细，也需要多一些的外加剂来分散粉煤灰颗粒。粉煤灰粉煤灰的烧失量越大（即含碳量越大），则需水量越大，对外加剂的影响的烧失量越大（即含碳量越大），则需
13、水量越大，对外加剂的影响也越大；碳粒粗大、多孔容易吸水，吸附外加剂的能力强，将使外也越大；碳粒粗大、多孔容易吸水，吸附外加剂的能力强，将使外加剂的掺量增加，特别是对引气剂的影响大。加剂的掺量增加，特别是对引气剂的影响大。项目技术要求I级II级III级细度(45m方孔筛筛余)(%)F类粉煤灰12.025.045.0C类粉煤灰需水量比(%)F类粉煤灰95105115C类粉煤灰烧失量(%)F类粉煤灰5.08.015.0C类粉煤灰含水量(%)F类粉煤灰1.0C类粉煤灰三氧化硫(%)F类粉煤灰3.0C类粉煤灰游离氧化钙(%)F类粉煤灰1.0C类粉煤灰4.0雷氏夹沸煮后增加距离(mm)C类粉煤灰5.0表表
14、2 拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求拌制混凝土和砂浆用粉煤灰技术要求F类粉煤灰是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。类粉煤灰是指由无烟煤或烟煤煅烧收集的粉煤灰。C类粉煤灰是由类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于褐煤或次烟煤煅烧收集的粉煤灰，其氧化钙含量一般大于l0%。（7）气温、风力对外加剂的影响（8）骨料的影响气温气温越高、风力越越高、风力越大，混凝土大，混凝土的坍落度损失的坍落度损失越大越大。气温高，水泥水化反应快，外加剂的消耗加快；风力越大，混凝土的水分蒸发越快，加快了水泥颗粒之间的凝聚，混凝土的坍落度损失越大。 骨料的影响若骨料的含泥量含泥量大大，大量的黏土细粒
15、会吸收更 多的水分，消耗更多的外加剂，使新拌混凝土和易性变差,容易产生离析，坍落度损失大，还影响混凝土的强度。 若砂率砂率偏小，混凝土容易离析、抓底，混凝土坍落度损失大；砂率偏大，过多的砂需要更多的水分润湿，使混凝土坍落度变小，也影响混凝土的强度。 若骨料的级配级配不良，特别是缺少中间粒级的骨料，也容易造成混凝土离析、抓底，混凝土坍落度损失大。 有害杂质项目 骨料种类配制不同强度等级混凝土时有害杂质限量指标 C60 C55C30 C25 含泥量（按质量计，%） 砂2.03.05.0石子0.51.02.0泥块含量（按质量计，%） 砂0.51.02.0石子0.20.50.7硫化物和硫酸盐含量（折算
16、为SO3，按质量计，%） 砂1.0 石子1.0 有机物含量（用比色法试验） 砂 颜色应不深于标准色，如深于标准色，应按水泥胶砂强度试验方法进行强度对比试验，抗压强度比应不低于0.95 卵石 颜色应不深于标准色，如深于标准色，应配制成混凝土进行强度对比试验，抗压强度比应不低于0.95 云母含量（按质量计，%） 砂2.0 轻物质含量（按质量计，%） 砂1.0 针、片状颗粒（按质量计，%） 石子8 1525 表表3 骨料中有害杂质含量限值骨料中有害杂质含量限值（JGJ 52-2011）4.改善措施改善措施混凝土的性能不仅取决于减水剂与水泥的性能，还取决于二者的相容性。因此，可以采取以下措施来改善减水
17、剂与水泥的相容性。(1)选择合适的水泥品种。在配制高性能混凝土时，应选择经搅拌只结合少量水的水泥或形成钙矾石比较少的水泥。(2)选择合适的外加剂。外加剂的选择应根据工程设计对混凝土性能的要求而定，如混凝土的强度等级、 抗渗性、 耐久性、 冻融性、 弹性模量等。(3)选择合理的减水剂掺合方法。配制混凝土时， 可采用后掺法或分批掺加法来掺合减水剂。(4)使用反应性高分子化合物。该化合物在碱性条件下缓慢反应， 从而使坍落度经时损失减少。减水剂在水泥混凝土中的作用包括：湿润作用、湿润作用、吸附分散作用、润滑作用吸附分散作用、润滑作用等等A. 湿润作用湿润作用 当水泥加水拌合后，水泥浆形成絮凝结构将一部
18、分拌合水包裹在水泥颗粒之间，降低了混凝土拌合物的流动性。 二、外加剂对混凝土性能的影响二、外加剂对混凝土性能的影响 以减水剂为例，分析其作用机理：以减水剂为例，分析其作用机理：B.分散作用分散作用：减水剂的憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使颗粒表面带有相同的电荷，产生斥力使水泥颗粒分开，从而将絮凝结构内的游离水释放出来。C. 润滑作用润滑作用：减水剂还能在水泥颗粒表面形成一层稳定的溶剂膜层，阻止了水泥颗粒间的直接接触，在水泥颗粒间起到很好的润滑作用。 从以下几个各方面进行分析：影响影响工作性能工作性能坍落度和扩展度表观密度含气量抗压能力抗折能力劈裂抗拉能力力学性能力学性能泌水率凝结时间抗碳化性
19、能抗氯离子渗透性能1.坍落度和扩展度坍落度和扩展度l 混凝土的工作性工作性或称和易性和易性：指新拌混凝土易于成型、捣实表面平整和抵抗离析的能力，而且其中组分也不能在运输或浇注成型过程中产生离析。混凝土工作性是一项综合技术性质，包括流动性、粘聚性和保水性三方面含义。通常测定的是混凝土的流动性，而粘聚性和保水性则凭经验目测评定。图4 混凝土坍落度 不加减水剂 聚羧酸 萘系 不加减水剂 聚羧酸系 萘系图5 混凝土扩展度坍落度（mm） 混凝土类别 坍落度（mm）混凝土类别160大流动性混凝土1090塑性混凝土100150流动性混凝土10干硬性混凝土表4 不同类型混凝土的坍落度要求2.表观密度表观密度掺
20、入减水剂之后，混凝土的表观密度有所增加，其主要原因是外加剂特别是减水剂加入后，减少了混凝土用水量。其次是由于新拌混凝土的粘度降低，流动性增加，易于扩展填充（与不加减水剂相比，掺入外加剂后扩展度大幅度提高），颗粒间的填充更为致密，聚羧酸系列减水剂效果最为明显。此外，混凝土的表观密度还与含气量有关。3.含气量含气量 掺外加剂混凝土含气量都有所增加，大部分萘系减水剂能增加1% 左右，聚羧酸系列则增加较明显，含气量为2.3%2.5%，在合理的范围内。其中聚羧酸系的增加最多，可能原因是聚羧酸系减水剂中带有引气成分。混凝土中适当引气有利于混凝土的工作性和耐久性的改善。4.泌水率泌水率掺聚羧酸系列的减水剂，
21、很大程度上改善了混凝土的泌水情况。根据减水剂的作用机理，极性分子吸附在水泥颗粒周围，使得颗粒之间相互排斥，减少了絮凝作用，释放被水泥颗粒包裹的水分，同时使水泥颗粒表面的吸附水层变薄，所需的润湿水量大大减少。由此机理，减水剂会使混凝土中的可泌自由水量增加，使泌水增大。另一方面，由于减水剂的减水作用，同样坍落度的混凝土所需的拌和水量大大减少，使混凝土中的可泌自由水量减少。因此，减水剂对泌水的影响应综合这两方面来分析。5.缓凝时间缓凝时间掺加减水剂的混凝土凝结时间都比较长。其中，木钙类缓凝效果最差，萘系减水剂缓凝效果较好，聚羧酸系的缓凝效果最好。萘系与聚羧酸系列的减水剂缓凝效果差别不明显；对于粉剂外
22、加剂来说，由于其在水泥水化过程中不断溶解释出，使得凝结时间比掺加液体外加剂的要长。缓凝剂主要控制凝结时间，缓凝效果最佳。膨胀剂和早强剂的初凝和终凝时间都有所延缓。掺早强剂与膨胀剂混凝土的凝结时间与掺减水剂的混凝土相近。6.力学性能力学性能 以C40 混凝土进行不同品种外加剂对混凝土工作性的影响规律研究。试验配合比见表5（其中 KB 为空白组对比试样，MG 表示木钙类减水剂，N1、N2 表示萘系类减水剂，J1、J2 表示聚羧酸减水剂，ZQ 表示早强剂，PZ 表示膨胀剂） 。表5 混凝土试验配合比表6 掺外加剂混凝土 28d 的力学性能KB 为空白组对比试样，MG 表示木钙类减水剂，N1、N2 表
23、示萘系类减水剂，J1、J2 表示聚羧酸减水剂，ZQ 表示早强剂，PZ 表示膨胀剂表 6 的试验结果表明： (1) 在保持水灰比不变的情况下，掺入不同种类减水剂的混凝土的28d抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度以及抗压弹性模量大小规律基本相同，而具体数值有所不同。 (2) 木钙类减水剂由于具有强的引气作用，当掺量为0.3%时，引气量可达4%，从而使混凝土的后期强度较低。 (3) 萘系减水剂由于含有Na2SO4成份，起激发增强作用，使得混凝土的早期力学强度和弹性模量值相对较高。与不掺外加剂的混凝土相比，抗压强度增长7.4%9.1%，抗折强度增长4.5%16.0%，劈裂抗拉强度增长 06.1%，抗压弹
24、性模量增长12.5%。 (4) 聚羧酸系减水剂不含早强组分，且含气量较高，其力学性能的增长率略低于掺萘系减水剂的混凝土，但其具有很好的塑化和分散性，有效地改善了混凝土的力学性能。与不掺外加剂的混凝土相比，抗压强度增长2.6%，抗压弹性模量增长最大值为9.2%。 (5) 掺入膨胀剂之后，抗折强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量都有降低，分析原因可能是掺入膨胀剂之后，水泥用量减少，在没有约束条件下，膨胀率过大，使混凝土内部致密性变差，导致混凝土强度降低。 图6 减水剂种类对混凝土强度的影响由图6可知，相对于对比组，掺入减水剂之后，混凝土的3d与7d强度增长较为明显，增长幅度在28%78%之间。这是由于掺
25、入减水剂后，虽然水灰比保持不变，但是用水量却由原来的225kg/m3降到170kg/m3 ，混凝土的强度有所提高。但是后期28d以及60d强度增长不明显，各组相差不大。7.抗碳化性能抗碳化性能混凝土的碳化或称混凝土的中性化，是指空气中的CO2和水与混凝土中Ca(OH)2的反应，生成CaCO3和水，降低混凝土碱度的现象。危害：混凝土的碳化会使混凝土的碱度降低，从而使钢筋失去保护层，进而锈蚀。混凝土的碳化收缩还会引起微裂缝，降低混凝土的强度。聚羧酸高效减水剂能够引入大量的封闭微小的气泡，这些封闭的气泡起到了切断毛细孔连续性的作用。从而阻止了混凝土的中性化，提高了混凝土的抗碳化能力。而未掺加任何减水
26、剂的混凝土和掺加了萘系减水剂的混凝土，由于无法像聚羧酸高效减水剂那样引入大量的封闭的微小的气泡，混凝土抵抗酸性气体（如CO2）的能力就会减弱，所以抗碳化能力明显不如掺加了聚羧酸高效减水剂的混凝土。8.抗氯离子渗透性能抗氯离子渗透性能危害：在水和O2的作用下，Cl-会引起腐蚀。氯离子渗入混凝土会造成混凝土中钢筋的脱钝，进而造成钢筋的锈蚀。从而影响混凝土的耐久性。渗入混凝土有两种方式：一种是混凝土的原材料本身带有Cl- （例如细骨料采用海砂）；一种是Cl-从混凝土的裂缝孔隙处侵入。由于聚羧酸高效减水剂有一定的引气作用，增加了混凝土的含气量改变了混凝土的孔结构。这些引入的大量的封闭的圆球状的气泡，切断了毛细孔，阻断了水渗透的通道。防止了水的渗透，提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。系列多样化系列多样化节能环保化节能环保化复合化复合化高强化高强化建筑行业科技的进步，将会带动外加剂的不断发展，从当前我国混凝土外加剂市场使用的比例现状来看，外加剂具有广阔的发展前景，将会迎来发展的高潮。目前，我国正处于大规模的建设时期，每年基本建设的投入达3万亿元以上，迫切需要提高我国混凝土的施工技术水平和工程质量，提高工程的耐久性和使用寿命，外加剂已经成为国家基本建设不可缺少的材料。三、发展与前景三、发展与前景谢谢大家！
