减水剂对混凝土性能的影响和发展方向_杨永民

等减水剂，由于能降低液气界面张力，具有一定的引气 率。减少用水量使自由水蒸发造成的孔隙减少，从而改
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研究与探讨
广东建材 ２００５ 年第 １０ 期
善混凝土的内部均匀性和密实性。与不掺减水剂的混凝
随着高强和泵送混凝土工艺日益广泛的应用，普通
土比较，大幅度提高了混凝土的强度及抗渗能力，使混 减水剂不仅减水率达不到要求，而且由于水灰比减小，
起来，不外乎以下五个方面：①降低水泥颗粒固液界面
能。减水剂通常为表面活性剂。性能优良的减水剂在水 ３．１ 减水剂对新拌混凝土性能的影响
泥－水界面上具有很强的吸附能力。它吸附在水泥颗粒 ３．１．１ 提高工作性能
表面能降低水泥颗粒固液界面能，降低水泥－水分散体
和易性是指混凝土拌合物易于施工操作 （即易于
用。减水剂大分子含有大量极性基团，这些极性基团有 量过大会导致新拌混凝土离析、泌水严重。因此，各品种
较强的亲水作用。因此，减水剂分子吸附在水泥颗粒表 减水剂，均有其合适的掺量范围。在此范围内既改善新
面后由于极性基的亲水作用使水泥颗粒表面形成一层 拌混凝土的和易性又提高硬化混凝土的各种性能。
有一定机械强度的溶剂化水膜。水化膜的形成可使水泥 ３．１．２ 减少用水量
凝土的耐久性得到提高。
浇筑时工作度要求增大。新拌混凝土的工作度损失加
３．１．３ 离析与泌水
在混凝土中加入减水剂会显著影响新拌混凝土的 离析与泌水性能。根据国家标准 ＧＢ８０７６－１９９７ 规定，在 减水情况下，掺入减水剂的新拌混凝土的泌水率不应大 于基准混凝土（不掺减水剂）的泌水率。实际上在减水 剂与水泥适应性良好的情况下减水剂能显著降低新拌 混凝土的离析与泌水性。但是，当减水剂与水泥适应性 差，或者高效减水剂掺量过大时，则可能导致新拌混凝 土离析与泌水增大，和易性变差。
２ 减水剂的作用机理简介
混凝土。西德于 １９６４ 年前后研制出以磺化三聚氰胺甲
加入水泥系统的减水剂首先在系统中分散开来，在
醛树脂为主要成份的高效水泥减水剂 （商品名 Ｍｅｌ－ 水泥颗粒表面产生吸附。这些聚合物的碳氢链上带有许
ｍｅｎｔ），该技术先后被日、美、英等国引进，并在重大工程 多极性基官能团，例如－Ｏ－及－ＯＨ 等。这些基团与水
上得到应用。混凝土掺入这种减水剂后流动性大大提 泥颗粒或水化水泥颗粒的极性表面有较强的亲和力。带
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电荷的减水剂 （具有—ＳＯ３，—ＣＯＯ—等极性基团的阴离 子表面活性物质） 通过范德华力或静电力或化学键力 吸附在水泥颗粒表面；带极性基团（－ＯＨ，－Ｏ－）的非
３．１．５ 延迟水化热的放出
３．２．１ 减水剂对混凝土强度的影响
任何混凝土结构物主要都是用以承受荷载或抵抗 各种作用力。所以，强度是混凝土最重要的力学性能。一
水泥与水反应是放热反应，能释放出相当数量的 定条件下，工程要求的混凝土其他性能往往都与混凝土
热。掺缓凝型普通减水剂后混凝土的水化速率会减慢， 强度存在着密切关系。由鲍罗米公式可知，水灰比对混
响用水量的条件下增大混凝土拌合物的流动性，或二者 高效减水剂（其主要成分为聚亚甲基萘磺酸钠）及以精
兼顾，是一种具有减水和增强作用的外加剂。
萘为原料制得的 ＮＦ 高效减水剂 （主要成份为萘磺酸甲
１ 减水剂的应用历史
减水剂的使用始于 ３０ 年代。美国首次采用木质素 磺酸盐为主要成份的“Ｐｏｚｚｌｉｔｈ”作为混凝土减水剂。 到了 ６０ 年代减水剂的研制和生产进入了蓬勃发展的时 期。日本花王石碱株式会社研制出萘磺酸甲醛缩合物钠 盐的减水剂，这种减水剂具有减水率高，基本不影响混 凝土凝结时间和不加气等特点，适于制成高强或超高强
出。
施工新工艺和高层建筑的需要，极大地推动了混凝土减
在混凝土外加剂中，减水剂是目前应用最广的一种 水剂的研究和生产。１９７３ 年，染料工业的扩散剂 ＮＮＯ 移
外加剂。减水剂又称为水泥分散剂，可在不影响混凝土 植到建材工业作为混凝土减水剂取得良好的效果，以后
流动性的条件下，减少混凝土的拌和用水量，或在不影 陆续研制成以煤焦油提炼的副产品甲基萘为原料的 ＭＦ
空间位阻斥力作用。聚合物减水剂吸附在水泥颗粒表 善程度也增大。但是引气缓凝减水剂 （如木质素磺酸
面，在水泥颗粒表面形成一定厚度的聚合物分子吸附 盐、糖钙、糖蜜等）掺量过大会导致混凝土凝结时间过
层。当水泥颗粒相互靠近，吸附层开始重叠时，即在颗粒 长，并引气过多降低硬化混凝土强度。高效减水剂（萘
之间产生斥力，重叠越多，斥力越大。④水化膜润滑作 磺酸盐甲醛缩合物、三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物等）掺
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减水剂对混凝土性能的影响和发展方向
杨永民 文梓芸 吴国林 （广州华南理工大学材料学院 ５１０６４０）
摘 要：外加剂现在已经成为混凝土中不可缺少的原料之一，减水剂是目前应用最广的外加剂。减
水剂应用历史悠久，加入到混凝土中对混凝土的各种性能产生很大的影响。我国外加剂发展与国外发 展还有差距，还要加大各方面的研究力度。
剧，不满足较长距离运输的要求。所以一般增大高效减 水剂的掺量来弥补新拌混凝土的工作度损失。其机理 是：新拌混凝土中水泥的硫酸钙含量与形态影响液相中 硫酸根的浓度，是其流变行为的控制因素之一。低水胶 比混凝土由于溶解硫酸盐产生 ＳＯ４２－ 的水分少，而需要 控制的 Ｃ３Ａ 量又多，相对而言，有较多的 Ｃ３Ａ 就地水化。 因为缺少硫酸根离子，高效减水剂分子上的磺酸根基团 就会与 Ｃ３Ａ 结合，使液相里的高效减水剂剂量下降，逐 渐失去对水泥的分散作用，加速其工作度的损失。增大 高效减水剂的掺量，使它在液相里的量增加，工作度损 失率减小。
３．１．４ 延缓凝结时间
普通缓凝减水剂掺入到混凝土拌合物中，可延长混 凝土的凝结时间。高效减水剂，如萘磺酸盐甲醛缩合物、 三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物等掺入混凝土中对混凝土 没有缓凝作用，在掺入这些高效减水剂降低混凝土水灰 比时所配制的混凝土与基准混凝土的初、终凝时间基本 一致。但是，当用高效减水剂配制流动性混凝土特别是 用较大掺量配制大流动性混凝土时，混凝土凝结时间会
醛缩合物）。此外，我国已经或正在研制的减水剂还有三 聚氰胺类、环氧树脂类、胡敏酸、磺化焦油等 １０ 来个品 种。我国外加剂的研制应用与发达国家相比差距还很 大。“七五”期间国家计委提出要使掺外加剂的混凝土 达 ４０％、重点工程达 ７０％，但因各种原因未能实现。所 以外加剂的研制及应用工作还需花大力气。
颗粒充分分散，提高水泥颗粒表面的润湿性，同时对水
在不改变水泥用量，不提高新拌混凝土和易性的情
泥颗粒及骨料颗粒的相对运动起到润滑作用，宏观上表 况下，减水剂掺入混凝土中可减少新拌混凝土的拌和水
现为新拌混凝土流动性增大。⑤引气隔离“滚珠”作用。 用量，从而达到提高混凝土强度的目的。此时所减少的
木质素磺酸盐、腐植酸盐、聚羧酸盐系及氨基磺酸盐系 单位用水量与基准混凝土单位用水量之百分比，为减水
放热峰出现的时间会推迟，峰值会降低（见图 ５）。然 凝土的强度起决定性作用。
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而，２８ｄ 内水泥的总发热量与不掺者大致相同。但是，当
萘系、三聚氨胺系等高效减水剂掺入混凝土中，在降低 水灰比的情况下，一般不会使水泥的水化速度减慢，有
振动捣固
温度（℃） 抗压强度（ＭＰａ）
抗压强度（ＭＰａ）
时反而会加快。当用高效减水剂配制大流动性混凝土特 别是它的掺量较大时也会使混凝土放热峰出现的时间 推迟，峰值有所下降 。
用，使水泥颗粒表面带电性相同的电荷（并且电荷量随 散作用，可使新拌混凝土粘度下降，颗粒间相对流动容
减水剂浓度增大而增大直至饱和），使水泥颗粒之间产 易，从而不同程度地改善新拌混凝土的和易性。
生静电斥力，水泥絮状结构因此解体，颗粒分散，释放出
高效减水剂对新拌混凝土和易性的改善比普通减
包裹于絮团中的自由水，从而增大拌合物的流动性。③ 水剂强。在一定范围内，随着减水剂掺量增大和易性改
减水剂掺入新拌混凝土中，能够破坏水泥颗粒的絮 泡的滚珠和浮托作用，也有助于新拌混凝土中水泥颗粒
凝结构，分散水泥颗粒及水泥水化颗粒，释放絮凝结构 及骨料颗粒之间的相对滑动。减水剂的引气隔离 “滚
里的自由水，从而增大混凝土拌合物的流动性。虽然，减 珠”作用可以改善拌合物的和易性。
水剂的种类不同，其分散作用机理也不尽相同，但概括 ３ 减水剂对混凝土性能的影响
水泥颗粒 （ａ）
水泥颗粒 （ｂ）
水泥颗粒 （ｃ）
气泡。减水剂分子定向排列在气泡的液气界面上，使气 泡表面形成一层水化膜，带上与水泥颗粒相同的电荷。
图 １ 水泥颗粒 图 ２ 聚合物减水剂在水泥颗粒
的絮凝结构
表面吸附形式示意图
这样气泡与气泡之间，气泡与水泥颗粒之间均产生静电 斥力，对水泥颗粒产生隔离作用，阻止水泥颗粒凝聚。气
关键词：减水剂 机理 影响 发展
混凝土是一类量大面广、历史悠久的传统材料，广 高，有效地解决了在密集配筋截面内难以浇灌低坍落度
泛应用于土木、建筑、水利等工程。建筑业的迅速发展， 混凝土的难题。前苏联在 ６０ 年代研制成功一种水溶性
对混凝土的性能提出了新的要求，如提高混凝土的强 环氧树脂类减水剂，这是由环氧氯丙烷与间苯二胺聚合
人工捣固 充分捣固的混凝土
不完全密实 的混凝土
３．１．６ 大剂量减水剂对新拌混凝土稳定性的影响
０
Ｗ／Ｃ
（ａ）强度与水灰比之间的关系
０
１．２５
２．５
Ｃ／Ｗ
（ｂ）强度与灰水比之间的关系
纯水泥 ３５
掺外加剂的水泥 ３０
２５
图 ６ 混凝土强度与水灰比之间的关系 减水剂掺入混凝土中，在保持新拌混凝土和易性相 同的情况下可降低混凝土的水灰比，因而可提高混凝土 的抗压强度。一般减水剂的减水率愈大，混凝土抗压强
但是，每一种高效减水剂与水泥之间的搭配都有一 相应的饱和浓度。在配制高强与高性能混凝土时，高效 减水剂的掺量通常要接近或等于其饱和掺量。但需要特 别注意控制高效减水剂的适宜剂量，超过饱和掺量时， 会对混凝土性能产生相反的效果。
３．２ 减水剂对硬化混凝土性能的影响
延长，这主要是由于混凝土拌合物流动性大所致，而非 高效减水剂本身具有缓凝作用。
度、耐久性，改善新拌混凝土的流动性，减少混凝土在运 而成的。这期间，英国也制得了聚磺酸类减水剂。
输中的塌落度损失等。普通混凝土已经不能满足现行的
７０ 年代以后，减水剂又有新的发展。主要在 ３ 个方
施工工艺要求。国内外的生产实践证明，应用外加剂是 面：一是研制效果更好的减水剂；二是研制适用于蒸养
混凝土技术进步的主要途径，能使混凝土满足各种不同 混凝土的外加剂（日本最近研制成功的三氮杂苯高缩合
５％。随着混凝土的迅速发展，外加剂已经成为混凝土中
我国从 ５０ 年代开始用纸浆废液作塑化剂来改善混
继水泥、砂、石和水之外不可缺少的第五组分。尤其在配 凝土和易性和提高强度。以后也采用制糖工业的废蜜，
制高强或超高强混凝土时，外加剂所起的作用更为突 稍加工后作为混凝土减水剂。进入 ７０ 年代，由于混凝土
的施工要求，具有投资少、见效快、推广应用较容易、技 物减水剂 ＮＬ－４０００，据称是一种良好的蒸养混凝土减水
术经济效益显著等优点。
剂）；三是研制用工业副产品或废料制得价廉物美的减
混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入的用以 水剂，如用沥青、重芳烃等粗质原料制备减水剂，在许多
改善混凝土性能的物质，其掺量一般不大于水泥质量的 国家都有研究和使用报导。
水泥颗粒
水泥颗粒
水泥颗粒
水泥颗粒
离子减水剂也能通过范德华力和氢键的共同作用依附
在水泥颗粒表面。没有与水泥颗粒表面作用的极性基团 则随碳氢链伸入液相，见图 １ 和图 ２。
图 ３ 减水剂静电斥力 图 ４ 减水剂空间位阻斥力
分散机理示意图
分散机理示意图
游离水 水泥颗粒
作用。它掺入混凝土拌合物中，不仅吸附在固液界面，而 且吸附在液气界面上，使混凝土拌合物中形成许多微小
系总能量，提高分散体系的热力学稳定性，有利于水泥 拌和、运输、浇灌及振捣），并能获得质量均匀、密实的
颗粒的分散。②产生静电斥力作用。新拌混凝土中加入 混凝土的性能（又称为工作性）。和易性是一项综合性
减水剂后，减水剂分子定向吸附在水泥颗粒表面，部分 指标，它包括流动性、粘聚性和保水性三方面的涵义。适
极性基团指向液相（如图 ３）。由于亲水基团的电离作 量减水剂掺入混凝土拌合物中，由于其对水泥颗粒的分