混凝土外加剂: 专门治“裂”

水泥及其混凝土对于建筑工程来说，都是半成品。它们的质量优劣都应该以“对建筑工程质量与耐久性有利”来评价。在传统观念里，人们把水泥作为“胶凝材料”和“混凝土强度”的唯一来源，认为：优质混凝土就必须使用优质水泥，早期和后期强度高的水泥，才是优质水泥。为了提高早期强度，水泥企业不得不把水泥磨得很细。然而，高强、早强及磨得过细的水泥，正是混凝土开裂的根源之一。

水泥早期强度越高混凝土耐久性越差

水泥水化后的强度总量是一个“定值”，早期强度过高的水泥，后期强度增进率必然衰减。就像一个人的体能有限一样，如果参加长跑比赛，开始使劲过猛，一定会后劲不足。我们的水泥产品应该具备适当的早期强度、较高的后期及远期强度；尤其是远期强度，对建筑工程的百年大计至关重要。因此，我们不仅要关注“早期（3d）与后期（28d）强度”，更要关注“远期（≥90d）强度”，这是义不容辞的社会责任。

水泥早期强度高（水泥中的熟料微细颗粒太多），水化放热速度快且量多，导致混凝土内部温升高；冷却后，残余的温度应力较大，混凝土的抗裂性能下降；同时，增加早期收缩，提高减水剂掺量，增加坍落度损失，建筑物和构件容易产生开裂现象。水泥熟料中C3A、C3S含量是影响早期水化热最主要的因素。由于混凝土材料散热慢，故水泥早期强度越高，混凝土的耐久性越差。

水泥后期及远期强度高，对混凝土的强度补充与自愈合能力较好。作为多相复合材料，混凝土不可避免地存在结构缺陷，而且它通常处于日晒雨淋、干湿交替、冻融循环，甚至更加恶劣的环境条件下，漫长使用过程中强度损失或受到损害、破坏难以避免。

简言之，水泥3d强度是施工的要求（缩短养护时间，加快模板周转），水泥28d强度是混凝土设计强度的需要，而远期强度则是混凝土耐久性（强度补充及自愈合）的需要。

水泥外加剂使混凝土强度显著提高

在建筑工程中，人们往往重视从提高水泥强度来提高混凝土的质量，而忽视了“混凝土用水量”影响的重要性。混凝土中的水分可以划分为结合水、润湿水与自由水，其中润湿水、自由水与固体材料的联系较少，可以逸出混凝土，逸出以后上浮，形成“泌水”。

泌水以后的混凝土组分变得不均匀，混凝土在泌水部位产生空隙缺陷，导致该部位的抗压、抗拉强度并不会由于该处的水灰比下降而升高，反而是强度降低了，这些部位强度的下降会导致混凝土整体强度降低。尽管泌水对混凝土强度的影响很有限，但对混凝土的抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性及防止钢筋锈蚀等耐久性能的影响则很大。

近年来，水泥外加剂的出现，尤其是高效减水剂，由于其表面活性作用，定向吸附于水泥颗粒表面，亲水基端指向水溶液，于是使水泥颗粒表面均带上相同的电荷，加大了水泥颗粒间的静电斥力，导致水泥颗粒相互分散。絮凝结构解体，包裹的游离水被释放出来，从而有效地增加了混凝土拌和物的流动性。此外，由于减水剂对水泥的分散作用，使水泥颗粒与水接触的表面增多，水化比较充分，从而可大幅度减少混凝土的用水量（润湿水和自由水），提高混凝土的强度，并促使一些非活性的工业废渣利用助磨剂磨细、激发后，可以作为混凝土的掺和料，一方面部分参与水化反应、成为了“辅助胶凝材料”；另一方面改善了混凝土的堆积密度，减少了其孔隙率、水化热、干缩率，大大地增进了混凝土的强度并提高了其耐久性。

胶凝材料不再以水泥为绝对组分

水泥外加剂的出现，使水泥生产与混凝土制备的传统观念悄然发生改变。外加剂能有效地改善混凝土的性能，而且具有良好的经济效益。尤其是高效减水剂的普遍使用，水泥粒子得到充分的分散，用水量大大减少，水泥潜能得到发挥，致使水泥石致密、孔结构和界面微结构得到很好的改善，从而使混凝土的物理力学性能有了很大的提高；在不透水性、抗硫酸盐侵蚀、抗冲击性、耐磨性能等方面都优于不掺外加剂的混凝土。不仅提高了混凝土强度，改善了和易性，还可以提高混凝土的耐久性。另外，在保持混凝土拌和物工作性不变的前提下，大幅度改变其水胶比，获得不同强度等级的混凝土。

由于水胶比降低，低活性掺和料得以广泛应用。胶凝材料不再是以水泥为唯一组分或绝对组分，而是由水泥和掺和料组成。低水胶比、低水泥用量、低单位体积用水量是当今混凝土技术的发展方向。混凝土中可以生成和需要水化产物填充的空隙已经大为减小。混凝土达到同样强度，对凝胶的数量要求有所下降，所以低活性的工业废渣在混凝土中得到良好的技术效果。达到同样的混凝土强度对凝胶的数量要求有所下降，也就是说对胶凝材料的活性要求有所下降，水泥强度不再是唯一的重要技术指标；在混凝土中，早期高活性物质、长期活性物质、远期低活性物质将扮演不同的角色。水泥及其混凝土的现代生产模式是：在水泥厂实现胶凝材料（熟料、石膏、活性与非活性混合材料）一体化生产，在混凝土搅拌站实现水泥与矿物掺和料的合理匹配。

辅助胶凝材料越来越被人关注

上个世纪末S．Tsivilis等学者明确提出，水泥中粒径＜3μm的颗粒应该＜10％，粒径3～30μm的颗粒应该在65％以上，粒径＞60μm和＜1μm的颗粒尽量减少。实际上这是从水泥的水化速率和水化程度角度提出的对熟料粒度分布的要求。水泥中不同组分（熟料、石膏、混合材料）的水化行为不同，在水泥石微结构中的作用不同，对水泥性能的影响不同，粒度分布的要求也不同，在探讨水泥的最佳颗粒组成时，有必要分别考虑。即分别研究熟料颗粒组成要求、混合材料颗粒组成要求以及最终水泥产品的颗粒组成要求。各种不同粒径及活性的混合材料与熟料配合后，提高水泥颗粒的堆积密度，使得水泥颗粒组成符合紧密堆积状态的Fuller曲线。以“分别粉磨”的加工方式，分别控制熟料、混合材料粒度分布，并对水泥产品的颗粒组成进行设计、控制，以达到上述目标。

辅助胶凝材料（SCM）就是以工业固体废弃物（副产品）或天然矿物为原材料，掺适合的助磨剂磨细加工后，制成不同粒径分布范围的水泥混合材料或混凝土矿物掺和料。它能够使胶凝材料颗粒的级配在一定程度上接近紧密堆积状态。辅助胶凝材料作为水泥的混合材料制成的水泥，可以节省熟料、实现优质水泥目标及其远期强度，具有良好的使用性能及与混凝土外加剂的相容性；作为矿物掺和料应用于混凝土中具有较好的填充效应、活性效应、微集料效应，能改善混凝土的性能，使混凝土更加密实、孔隙率低、耐久性好。在可持续发展概念已深入人心的今天，利用工业废渣发展辅助性胶凝材料产业受到越来越多人的关注。

非活性混合材料将被广泛应用

非活性混合材料是指在水泥中主要起填充作用而又不损害水泥性能的矿物质材料，即:其活性指标较低、达不到国家标准中对混合材料活性要求的材料，或者是无潜在水硬性、火山灰性的一类材料。其来源主要是各种工业废渣及天然矿物质材料，如石灰石、砂岩、铅、锌、铜、银等有色金属尾矿及活性不合格的矿渣、钢渣、镍铁渣、火山灰、粉煤灰等。它们的共同特点是水化活性低，在水泥、混凝土硬化过程中，只产生较少的水化产物，在颗粒组成上改善水泥的早期强度。除火山灰质材料外，在拌制和施工阶段只有少量的物理吸水，基本不影响水泥或胶凝材料的需水性；与水泥熟料水化物反应产生新的胶凝物质少，对新拌混凝土的流动性影响小；养护过程自干缩性低；对减水剂的相容性好，影响小；基本不影响水泥硬化体内的碱度；体积变化小。大量细颗粒填充于浆体孔隙中，使浆体结构较为均匀、密实，对强度提高起到了积极作用；浆体内部应力较小且分布均匀，从而改善了水泥浆体体积的稳定性和耐久性。

非活性混合材料作为辅助胶凝材料的制备原料时，粉磨过程应优先选择立式磨来加工，一般是活性越差、磨得越细，并按不同的细度分别储存。对水泥的颗粒组成进行设计、控制，使得熟料粉与多种混合材料粉体复配成多种水泥产品，其颗粒组成符合紧密堆积的Fuller曲线，这样对混凝土性能的提高十分有利。

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