摘要：我国基础建设快速发展，特殊环境工程越来越多，对水泥混凝土的性能要求也不断提高，外加剂的科学使用对于混凝土性能的提升具有重要的意义。目前常用的外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂、防冻剂等。论文选择常用的5类外加剂，分析了其特性、发展状况及应用特点，以期为特殊环境下混凝土外加剂的应用提供指导。
关键词：混凝土工程、外加剂、应用、研究进展
Application progress of admixtures in concrete
LuoYing Wang QingQing Huang
Shanghai Urban Construction Design & Research Institute(Group) Co,.Ltd., Shanghai 200125, China；Engineering Research Center of Transportation Materials of the Ministry of Education，Chang’an University, Xi’an 710064, China
Abstract: With the rapid development of China's infrastructure, many special environmental projects were constructed, and the performance requirements of cement concrete are constantly increasing. The scientific use of admixtures is of great significance to improve the concrete properties. At present, commonly admixtures were used include water reducing agents, air entraining agents, retarders, early strength agents, antifreeze agents, and so on. The paper selects five types of commonly used admixtures, analyzes their characteristics, development status and application characteristics, in order to guide the application of concrete admixtures in special environments.
Keywords: concrete engineering, admixture, application, research progress
1.前言
近年来随着混凝土在大型工程中的广泛应用，新拌混凝土和易性，硬化混凝土高强度及高耐久性已经成为现代工程建设中混凝土发展的必然趋势[1]。而在一些特殊环境下，如大体积混凝土中对水化热提出了严格要求，隧道二衬混凝土中，其泵送性要求很高[2]。随着我国综合国力的增强，各类工程建设任务很重，各种矿物掺合料和外加剂在现代混凝土配制技术中得到推广，另外，各专家学者开始重视高性能混凝土及外加剂的研究，这不仅促进混凝土技术的发展，也使得与混凝土相关的外加剂行业日新月异。目前我国外加剂发展迅猛，总体呈现出品种多，质量好，掺量小的特点[3]。在混凝土中使用外加剂不仅能解决施工中大量棘手的技术问题，还能节约生产成本，但是选择或使用不当，也会带来一系列技术上的问题。
2.外加剂分类、性能及作用
2.1减水剂
减水剂又称塑化剂，能够降低混凝土搅拌过程中的用水量，得到差别较小的坍落度，是目前应用最为广泛的混凝土外加剂[4]。减水剂种类很多，按化学成分可分为：萘系高效减水剂、聚羧酸盐高效减水剂、复合减水剂等；按其减水率的不同可以分为普通减水剂、高效减水剂和高性能减水剂；按其对混凝土凝聚时间和早期强度的影响还可以分为标准型、缓凝型和早强型。萘系减水剂属于最早一代减水剂，应用广泛，但其掺量较大，低温下会结晶析出。磺酸盐系减水剂具有掺量小，提高后期强度的作用，但其本身具有一定的缓凝及引气作用，混凝土早期强度低。聚羧酸减水剂属于新一代高效减水剂，具有掺量小，减水率高，与水泥适应性好等特点[4]。
减水剂均为表面活性剂，其主要有吸附分散、润滑和湿润三个方面的作用[5]。如加入减水剂后通过吸附分散作用可以使水泥颗粒表面带相同电荷，从而通过电性斥力使水泥-水系统处于相对稳定的悬浮状态，并使水泥与水初期生成的絮凝状结构分散，将其中聚集的游离水释放出来，从而达到减水的目的。
减水剂对塑性混凝土和硬化混凝土都有影响。在新拌混凝土中能够在不影响强度的情况下提高混凝土流动性，改善拌合的和易性，减少泌水，推迟水泥水化热峰值出现的时间，延缓凝结硬化的时间[6]。在硬化混凝土中，相同水泥用量及坍落度等条件下，通过使用减水剂，起到了减小水灰比的作用，有利于提高混凝土强度。同时，对于混凝土耐久性、抗碳化性能等均具有提升作用。
2.2引气剂
在拌制混凝土时通过加入引气剂能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡，起到改善混凝土和易性，提高混凝土抗冻性和耐久性的作用[7]。引入的大量微小封闭的气泡对水泥颗粒和骨料具有托浮、隔离等作用，起到了分散和湿润的双重作用，有利于改善混凝土性能。引气剂在工程中应用广泛并且种类繁多，按化学成分分类引气剂有松香类引气剂、合成阴离子表面活性剂类引气剂、木质素磺酸盐类引气剂、石油磺酸盐类引气剂、蛋白质盐类引气剂、脂肪酸和树脂酸及其盐类引气剂、合成非离子型表面活性引气剂等。
松香类引气剂有一定的减水作用，能改善混凝土拌合物工作性，但加入后混凝土强度有所降低，尤其以早期强度为甚[8]；合成阴离子表面活性剂类引气剂主要有烷基磺酸钠、烷基硫酸钠等，易溶于水形成半透明溶液，对碱、弱酸和硬水都很稳定，具有发泡、分散等功能。其他类型的引气剂都存在引入气泡性能差、制备困难、使用数量小等问题。因此，目前减水剂与引气剂的制备正沿着复合型高效引气剂和高性能引气减水剂方向发展。
2.3缓凝剂
如果施工跨越的距离比较长，或者施工的环境温度很高时，混凝土可能会凝结过早，导致失去可塑性，混凝土浇筑质量也会受到极大影响。为此需要掺加缓凝剂，以延缓混凝土的凝结时间，改善混凝土和易性，减小混凝土拌和物坍落度经时损失，延缓水泥水化时间[9]。除此以外，当施工进度因为特殊因素而减慢时，可能出现不良的质量问题，需要加入缓凝剂以防出现裂缝。缓凝剂的种类有以下两个大类：无机缓凝剂：磷酸盐、锌盐、硫酸铁、硫酸铜、硼酸盐等；有机缓凝剂：羟基羧酸及其盐，多元醇及其衍生物，糖类及碳水化合物等。
缓凝剂应根据其使用目的进行选择，重点是控制混凝土坍落度经时损失，使混凝土在较长时间内能保持塑性[10]。目前大多数缓凝剂的缓凝效果会随气温的变化而产生波动，因此缓凝剂在使用时应辅以其他外加剂，防止出现混凝土长时间不凝结或低于设计强度等工程事故，以稳定其缓凝效果。
2.4早强剂
能够提高混凝土早期强度，并对后期无显著影响的外加剂称为早强剂。
早强剂种类繁多，按化学成分分，主要有无机类、有机类和复合型三类[3]。这种混凝土外加剂常被应用于以下方面：（1）需要加速早期强度发展的工程；（2）在冬季施工的工程；（3）紧急抢修工程。然而，加速的程度与早强剂种类和掺入量有着非常大的关系。此外，还受环境温度、养护条件和水泥品种的影响。无机早强剂是目前用量最大的早强剂原料，常用的品种主要是氯盐中的氯化钙和硫酸盐中硫酸钠及硫代硫酸钠等，有机早强剂中以三乙醇胺应用较多，复合早强剂是早强剂未来发展的方向之一，可取得比单一组分更好的早强效果和一定的后期强度。
早强剂不仅能够加速早期强度的发展，提高混凝土早期强度，提高混凝土密实度，促进早期水化，而且能够影响硬化混凝土的其他性能，此外，还会对新拌混凝土造成一定的影响。比如说，二氯化钙可以提高新拌混凝土的和易性，使混凝土的凝固和硬化时间明显缩短。
2.5防冻剂
防冻剂按照功效，可以分为高效防冻剂和普通防冻剂。防冻剂是在一定的负温度下加入的，能够降低混凝土中液相冰点，使水泥在负温度下可以正常水化。使用防冻剂，有利于促进混凝土的凝固、硬化、引气和早强，使混凝土在负温下硬化，并在规定时间内达到足够的防冻强度。
在大多数的工程中，都选择使用复合型的防冻剂，单一组分的防冻剂使用的比较少，而且还能够混合其他外加剂，这样可以同时起到多种效果[11-12]。防冻剂在工程中应用比较广泛，主要分为3大类：盐类防冻剂包括亚硝酸盐、硝酸盐、氯盐和碳酸盐以及尿素等；醇类防冻剂包括甲醇、乙酸钠等；复合防冻剂一般是多种外加剂复合使用，比如：防冻组分+早强组分+阻锈组分，防冻组分+早强组分+阻锈组分+减水组分，防冻组分+早强组分+引气组分+减水组分等[13]。
在工程中亚硝酸钠是最常用的防冻组分之一，也是阻锈剂，但与有机物接触易燃烧和爆炸，亚硝酸钙防冻效果优于亚硝酸钠，但混凝土和易性欠佳。虽然硝酸钠基本性质与亚硝酸钠相近，但降低冰点作用及阻锈效果不如亚硝酸钠[14]。硝酸钙具有较好的防冻效果，并可提高混凝土密实度，改善孔结构，无毒，氯化钙、氯化钠则易导致钢筋锈蚀，甲醇作为防冻组分具有较低的熔点，且掺入混凝土中不产生缓凝。一般而言，复合型防冻组分效果往往高于单组分作用，这也是未来防冻剂发展的方向之一。
3.外加剂发展方向
随着我国综合国力的提升，基础设施建设逐步完善，水泥混凝土作为工程建设中不可或缺的材料，起着至关重要的作用。尤其是特殊工程，对于混凝土的综合性能都有较高的要求，而外加剂则是保证混凝土性能的关键因素。为此，混凝土外加剂的研究具有非常广阔的应用前景，未来外加剂将向以下3个方面发展：
（1）绿色环保化。基于外加剂使用量、需求量的不断增加，易对环境造成污染对人体产生危害的外加剂逐渐被淘汰，在保证外加剂质量的前提下开发绿色环保节能型外加剂已成为外加剂未来发展的趋势。一方面，充分利用适宜的工业废料生产外加剂以节约水泥、降低混凝土成本，并降低混凝土施工费用，从而达到节约能源的目的；另一方面，注重外加剂产品在原材料的选用环节、生产过程以及应用过程中，是否会对人体健康产生影响，是否会对环境造成污染等，以无毒、无污染、绿色环境保护为出发点。同时，现阶段新技术、新设备的应用，为清洁、无毒、无害、利废外加剂研发奠定了基础，外加剂将向绿色环保型发展。
（2）多功能化。发展多功能型外加剂的益处是在满足混凝土某些性能的同时，还可以满足其工艺要求，显著提高其技术经济效益，且适用于各类混凝土。比如：某些工程不仅要求做到早强，对于混凝土的坍落度以及耐久性能也均有较高要求。这就需要利用多功能型外加剂进行混凝土性能改善，以满足建筑工程混凝土材料使用需求。在此过程中，一方面需要加强高性能外加剂合成工艺的研究力度；另一方面也应注重外加剂科学搭配，达到“1+1>2”应用效果，如“聚羧酸减水剂+木质素磺酸盐减水剂”科学搭配，促进两者优势共同发挥，增强添加剂使用效果。
（3）多元交叉创新化。针对当前外加剂应用过程中存在的不足，包括无机型外加剂其效能相对低下，同时带入混凝土中的有害金属离子相对较多、外加剂应用下混凝土塌落度损失较大、外加剂原材料新来源问题等。需以多学科交叉发展理念为指导，重视生产设备的更新、工艺控制系统的升级、生产自动化程度的提高、试验检验仪器设备及手段的完善与提升等，同时进行新品种研发，促进低成本、可再生资源在外加剂研制中的应用，实现无机型外加剂向有机型外加剂、复合型外加剂方向发展等。
4.结语
普通混凝土正向着高强度混凝土、高性能混凝土、环保型混凝土转变，外加剂作为改性关键材料，在工程建设中已经不可或缺，人们已经逐渐将外加剂作为水泥、石子、砂子和水之外的第5种核心材料。关于混凝土外加剂的研究一定程度上也影响着相关工程的质量安全，是建设工程能够顺利进行的重要保证。因此，科研人员需要重视对混凝土外加剂的研究。随着外加剂的不断发展，未来将会向着高强化、复合化、节能环保化、系列多样化发展，其应用前景十分广泛。
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作者简介：汪罗英，男，高级工程师，上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司环交院副总工。