摘 要：本文系統(tǒng)地介紹了混凝土外加劑的種類與功能。通過對ZX 高效防水劑抗裂防水機理的探討，表明其可廣泛用于有抗?jié)B要求的水工混凝土中。
關鍵詞：外加劑 防水劑 收縮 抗裂 混凝土
長期以來，我國工業(yè)與民用建筑工程中的防水技術不盡人意。存在嚴重滲漏現(xiàn)象，有些建筑每隔三五年就要返修一次，發(fā)生高額的維修費用，造成巨大的損失和浪費。建設部曾對1980～1990 年竣工的建設工程進行滲漏狀況的隨機抽檢，調查了2072 棟建筑，其中有3～4 成的工程存在不同程度的滲漏，情況非常嚴重。解決的方案是在其層上鋪貼防水卷材，或涂布防水涂料使之形成防水隔離層。這就是所謂的柔性防水技術。這種技術,成本費用較高，防水層一旦損壞或失效，滲漏部位難以尋找，修復困難。是只能“治標”的外防水技術。
采用在混凝土中摻入減水劑，防水劑等混凝土外加劑，使?jié)仓蟮幕炷良氈旅軐?，水分子難以通過，從而達到防水目的的手段，這就是人們通常所說的剛性防水技術。此種技術工藝簡單，成本低廉，出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象后修復較容易，無需重新鋪設防水層或澆筑防水混凝土。被稱為“治本”的內防水技術，在工程中得到了廣泛的應用。
在水利水電建設中，各種類型的大壩對壩基的要求不容忽視。要求壩基要有足夠的強度以承受壩體壓力；有足夠的整體性和均勻性以滿足壩基抗滑穩(wěn)定和減小不均勻沉陷；有足夠的抗?jié)B性以滿足大壩抗?jié)B穩(wěn)定；有足夠的耐久性以防止巖體性質在滲水的長期作用下發(fā)生惡化等等。當壩基巖體中有較大的斷層破碎帶或軟弱夾層時，由于它們一般都是由一定厚度的各種破碎，軟弱物質組成，其強度和彈性模量較低，抗水性差，與兩側新鮮，堅硬巖體的物理力學特征有明顯差異，必須進行專門的處理，以保證大壩的安全。其基本的辦法不外乎開挖回填混凝土，進行混凝土塞的置換處理，采用抗剪洞塞或傳力洞塞及錨固措施等等。值得注意的是，為解決經(jīng)開挖后圍巖松弛變形及構造面暴露卸荷后的力學指標如彈性模量的降低，必須采取高壓固結灌漿，帷幕灌漿和排水等處理。要做到這一點，除需對混凝土原材料的性能及配合比參數(shù)進行深入細致的研究以外，在水泥混凝土中摻入外加劑，是行之有效的辦法。
何為水泥混凝土外加劑？混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入的、用以改變混凝土性質的物質。一般情況下其摻量不大于水泥質量的5%。水泥混凝土外加劑按其主要功能，可分為4 類。
?。?）改變混凝土拌合物流變性能的外加劑。如各種減水劑、引氣劑、泵送劑、保水劑、灌漿劑等。
?。?）調節(jié)混凝土凝結時間和硬化性質的外加劑。如緩凝劑、早強劑、速凝劑。
?。?）改善混凝土耐久性的外加劑。如引氣劑、阻銹劑、防水劑。
?。?）改善混凝土其他性質的外加劑。如加氣劑、膨脹劑、防凍劑、著色劑、堿-集料反應抑制劑。除上述分類方法外，還可以按其主要功能命名為：減水劑、高效減水劑、早強減水劑、緩凝減水劑、引氣減水劑、早強劑、速凝劑、緩凝劑、引氣劑、加氣劑、泡沫劑、消泡劑、防凍劑、膨脹劑、防水劑、阻銹劑、流化劑、保水劑等等?，F(xiàn)介紹幾種重要的外加劑。
?。?）減水劑。減水劑是在混凝土坍落度基本相同的條件下能減少拌和用水的外加劑。減水劑具有吸附--分散作用、潤滑作用、濕潤作用，所以，只要摻加很少量的減水劑就能使新拌混凝土的工作性能顯著改善，并對硬化后的水泥混凝土帶來一系列的優(yōu)點。使用減水劑對混凝土有以下技術經(jīng)濟效益：①在保證混凝土工作性質和水泥用量不變的條件下，可以減少拌和用水量，提高混凝土強度。特別是高效減水劑可大幅減少用水量，制備早強、高強混凝土；②在保持混凝土用水量和水泥用量不變的條件下，可增大混凝土的流變性，如采用高效減水劑，可制備大流動混凝土；③在保證混凝土工作性質和強度不變的條件下，可減少水泥用量。
減水劑按其作用效果可分為普通性和高效型兩種，前者減水率小于10%，后者可達20%以上 。
減水劑的防水機理：普通混凝土在水泥水化過程中，水泥礦物組成攜帶異型電荷的離子相互吸引，水泥顆粒在液相的熱運動中相互碰撞并吸附，加之顆粒間的聚結引力作用，使水泥顆粒形成了不規(guī)則的絮凝狀結構，其中包含著許多拌和水，這就減小了水泥顆粒與水的接觸面，而使水泥不能充分水化，降低了混凝土的密實度。同時，絮凝狀結構增加了水泥顆粒間的摩擦力，使混凝土拌合物的和易性變差。為改善和易性，勢必要加大拌和水量，這就導致了水泥在硬化過程中存在多余水分，它們蒸發(fā)后形成孔隙則不利于防水抗?jié)B。減水劑是一種表面活性物質，摻入新拌混凝土后，由于它的吸附--擴散作用，使水泥絮凝狀物結構解體釋放出原被包裹的封閉拌和水。這就保證了在一定的和易性要求時，大大減少拌和用水量，使混凝土中游離水的數(shù)量降低，從而減少了水分蒸發(fā)留下的毛細孔隙，提高了混凝土的密實性。同時，因減水劑溶于水后產(chǎn)生的陰離子吸附于水泥顆粒表面，使之帶負電荷而互相排斥，從而使水泥顆粒彼此分離、擴散，形成高度均勻分散的懸浮顆粒，在顆粒間起到潤滑作用，有效地改善混凝土中孔結構的分布情況，使孔徑和孔隙率減小。
（2）早強劑。早強劑是加速混凝土早期強度發(fā)展的外加劑。早強劑對水泥中的硅酸三鈣和硅酸二鈣等礦物的水化有催化作用，能加強水泥的水化和硬化，為取得更為有效的早強效果，通常采用復合早強劑。常用的早強劑分為無機鹽類、有機鹽類和有機復合的復合早強劑3 類。
?。?）引氣劑。引氣劑是在攪拌混凝土過程中引入大量均勻分布的微小氣泡的外加劑。引氣劑為憎水性表面活性物質，由于能降低水泥—水—空氣的界面能，同時因為它的定向排列，形成單分子吸附膜，提高了泡沫的強度，并使氣泡排開水分而吸著于固相離子表面，因而能使攪拌過程中混進的空氣形成微?。讖?.01～2mm）而穩(wěn)定的氣泡，均勻分布于混凝土中。由于這些氣泡的存在，可改善混凝土的和易性，減少泌水和離析。對于硬化后的混凝土，由于有這些氣泡的隔離，切斷了毛細孔通道，使水分不易滲入，又可緩沖其水分結冰膨脹作用，因而提高混凝土的抗凍性和抗蝕性。
（4）緩凝劑。緩凝劑是延緩混凝土凝結時間的外加劑。大家知道，和易性是水泥混凝土拌和物在一定條件下，不僅容易施工，而且還能獲得質量均勻成型密實并充滿模型腔的綜合性能指標。它包含了混凝土的流動性、粘聚性和保水性。水工建筑物屬于大體積混凝土施工，良好的流動性能確?；炷辆鶆蛎軐崳己玫恼尘坌杂执_保了混凝土能形成一個密實均勻的整體，使之不產(chǎn)生離析。另外，保水性能確?；炷敛划a(chǎn)生內部析水和集料沉降，避免混凝土內部產(chǎn)生空洞和在澆筑層間產(chǎn)生疏松層。緩凝劑就是基于此種需要的一種重要的外加劑。它可以有效的調節(jié)混凝土的凝結時間，延緩水化作用、最高溫升。確保在相對較長的時間內保持一定的和易性，以確保澆筑質量。
?。?）防凍劑。能顯著降低混凝土的冰點，使其在一定的負溫度范圍內不受凍結，不受凍害，并能繼續(xù)起水化反應，促使混凝土凝結硬化并獲得預期強度。
（6）泵送劑。在很多場合混凝土的施工，是在混凝土泵的推動下，沿輸送管道進行運輸并在管道出口處直接澆筑，除滿足混凝土設計規(guī)定的拌和物強度、耐久性能外，還要滿足管道輸送過程中對混凝土拌和物的要求，且摩阻小，不離析，不阻塞和良好的粘塑性。具有上述功能的外加劑叫泵送劑。
?。?）流化劑。又稱塑化劑。在混凝土中摻入流化劑，其目的不是為了提高混凝土的強度，而是為了提高混凝土的流動性，配置流態(tài)混凝土，故稱流化劑。其實際上是一種高效減水劑。與一般減水劑不同，其一，它的減水率一般為20～30%，是一般減水劑減水率的二倍，對水泥混凝土拌和物有更為明顯的分散效果；二是它的低引氣性，流化劑的摻入不會降低水溶液的表面張力，因此在混凝土拌和過程中幾乎不引入空氣，此特性對配置高強度混凝土尤為重要；三是無緩凝性，即使摻量較高也無緩凝現(xiàn)象。流化劑的這種性質取決于它的下述3 種作用。
1) 雙電層保護作用。塑化劑摻入新拌水泥混凝土中，離析出正負離子。憎水基團為負離子，吸附于水泥顆粒表面，使其表面產(chǎn)生表面電位，它強烈地吸附陽離子又形成電位層，因此在水泥離子外圍形成雙電層。由于雙電層產(chǎn)生的電斥力，使水泥粒子間相互排斥，防止了水泥粒子的凝聚，同時把網(wǎng)狀物結構中的水分釋放出來達到塑化的目的。
2) 潤滑作用。流化劑是表面活性物質。摻入混凝土拌和物后，降低了水表面的張力使水泥顆粒容易被濕潤。
3) 吸附作用。表面活性劑在水泥顆粒周圍產(chǎn)生定向吸附，在水泥顆粒表面形成吸附膜，使水泥顆粒的溶化層加厚，形成滑動層，增加了水泥砂漿的滑動能力，因而使水泥顆粒更加分散，增大流動性。
這里要說明的是，流態(tài)混凝土的發(fā)展與泵送混凝土施工的發(fā)展是密切相關的。 泵送混凝土對混凝土拌和物提出了較高的質量要求，要求大流動性便于泵送和澆筑，同時又要求混凝土拌和物不產(chǎn)生離析、分層現(xiàn)象，具有良好的和易性，加入流化劑的混凝土恰好能滿足這種要求。
?。?）膨脹劑。混凝土在干燥時產(chǎn)生收縮，易使砂漿混凝土產(chǎn)生裂縫，降低抗拉強度，破壞結構的整體性和混凝土的抗?jié)B性。膨脹劑是在使混凝土在水化過程中，產(chǎn)生一定體積的膨脹，并產(chǎn)生一定自應力的外加劑。
?。?）防水劑。是由化學原料配置而成的一種能起到提高水泥砂漿或混凝土不透水性的外加劑。在使用中，一般按比例摻入沙漿或混凝土中，以形成防水沙漿或混凝土。常用防水劑有氯化物金屬鹽類防水劑、金屬皂類防水劑和硅酸鈉防水劑等類型。防水劑是依靠化學反應生成的膠體的密實填充作用、新生化和物對水泥熟料礦物的激化作用、易溶性物轉化成難溶物的作用、降低析水性等作用，通過增強混凝土的密實性來提高抗?jié)B性的。
筑新牌ZX 高效防水劑（以下簡稱ZX）是哈爾濱工業(yè)大學最新研制開發(fā)的高科技新型防水材料，是傳統(tǒng)防水劑的更新?lián)Q代產(chǎn)品。ZX 與同類產(chǎn)品相比具有高效多功能型，經(jīng)黑龍江省建設廳組織鑒定和推廣認證，北京市建設工程質量檢測中心和黑龍江省工程質量監(jiān)督檢測中心檢測，已進入北京市建設委員會公布的北京市建筑工程材料供應備案名錄。
其各項技術性能指標均達到JC474—1999《砂漿、混凝土防水劑》〉標準中一等品的質量要求，居于國內同類產(chǎn)品領先水平。
ZX 高效防水劑由減水組分、膨脹組分、引氣組分、凝膠組分及減縮組分組成。不僅具有高抗?jié)B性能（摻ZX 砂漿試件可承受50 個水壓以上），而且具有膨脹減縮功能，能有效抑制正常施工條件下的混凝土及砂漿的開裂。眾所周知，收縮伴隨產(chǎn)生的開裂，降低了結構的強度，為空氣和水進入混凝土提供了通道，易使混凝土發(fā)生碳化腐蝕、鋼筋銹蝕，在嚴寒地區(qū)還會發(fā)生凍融循環(huán)。
混凝土的收縮，可分為塑性收縮、溫度收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮五大類型。其中以干燥收縮的影響最為普遍。因此抑制或減弱干燥收縮，勢必就會有效地抑制混凝土的開裂。理論研究表明，混凝土毛細管張力的產(chǎn)生和增大是造成干縮的根本原因所在。毛細管張力學說認為，毛細管張力可表示為拉普拉斯方程：
△P＝σ(1/r1＋1/r2)
式中：σ為液體的表面張力；
r1、r2 為毛細孔水的曲率半徑。由拉普拉斯方程可知，影響△p 的重要參數(shù)是σ和r。隨著毛細孔水的散失，r1和r2變小，△ P增大，毛細孔張力在孔壁上產(chǎn)生拉力，進而導致在宏觀上的混凝土收縮。
ZX 高效防水劑就是在上述理論的指導下研制而成，其減縮抗裂抗?jié)B機理如下。
?。?）減水抗裂機理。ZX 中的減水組分能大幅度減少混凝土的拌合水量，亦即減少由水形成的毛細管的數(shù)量，毛細管的數(shù)量的減少，勢必減少由毛細管存在所產(chǎn)生的混凝土收縮的總張力。
?。?）引氣抗裂機理。適宜的引氣組分將在混凝土中形成微小的封閉氣泡，這些氣泡將會阻斷毛細管，抑制毛細管中水分的蒸發(fā)散失，使毛細管中水的曲率半徑r 不變或變化甚小，使引起混凝土收縮的毛細管張力（ △p）變化不大或推遲增大。
?。?）凝膠抗裂抗?jié)B機理。ZX 中含有一定量的減縮劑，減縮劑由日本人研制成功，1985 年取得專利，在許多重大工程中取得了成功的應用。減縮劑的化學組成為聚醚或聚醇類有機物，該物質均為表面活性劑，能顯著降低液體的表面張力σ，由拉普拉斯方程可知，σ減小，△p 減小，因而可顯著抑制收縮。
（4）膨脹減縮抗裂機理：ZX 中的膨脹組分是與傳統(tǒng)UEA 和CEA 不同的一類遇水膨脹的物質,可通過其膨脹達到部分補償收縮的作用。與同類產(chǎn)品相比，ZX 具有高效多功能性，具有超塑化、高抗?jié)B、高增強、抗離析泌水、抗凍融、耐腐蝕、水泥適應性廣、不含有害離子等特點。
ZX 的優(yōu)點是：摻量低（2%～2.8%）；抗?jié)B等級高(可承受50 水壓以上)；減水作用大（減水率大于15%）；增塑效果明顯，不需摻兌泵送劑，即可配置高等級大流動性混凝土；可顯著提高砂漿、混凝土強度，在保持流動度不變條件下，3d 、7d 、28d砂漿強度可分別提高30%、25%、20%，混凝土強度可分別提高25%、20%、15%；可顯著改變砂漿和混凝土結構，具有明顯的負溫抗凍作用，可在負溫條件下（0℃～ -10℃）配置抗凍防水混凝土；ZX 不含氯鹽和其他有害物質，對鋼筋無銹蝕作用，不會引起堿—集料反應和堿—碳酸鹽反應。
ZX 在低摻量（最大摻量為水泥用量的2.8%）的條件下，除具有優(yōu)異抗?jié)B、防水功能外，還具有早強與增強、增塑泵送、低溫抗凍等功能，最為重要的是，由于它特有的多功能性，若采用本產(chǎn)品施工可不需同時摻加多種外加劑，因此，可避免可能出現(xiàn)的，多種外加劑和水泥相容性不良而造成的工程事故。除可節(jié)省其他外加劑的費用以外，還可節(jié)省水泥用量，在保證工程質量的前提下，降低成本。這一點，在使用了ZX 產(chǎn)品的諸多工程實踐中，已然獲得印證。
