混凝土外加剂科学与技术

本书探讨了如何更好地理解混凝土外加剂，以及如何更好地使用它们。通过理论阐述和应用实践，系统介绍了普通硅酸盐水泥、水硬性胶凝材料以及化学外加剂。全书分为五篇。分别是硅酸盐水泥与混凝土的基础知识；外加剂化学与物理背景知识，帮助读者更好地理解什么是化学外加剂，通过何种机理改善新拌以及硬化混凝土的性能；不同类型的外加剂及其相关性能和应用；两种必须使用外加剂的特种混凝土，自密实混凝土和超高性能混凝土；对外加剂的展望。本书可供从事混凝土外加剂生产、研发和应用的人员参考使用。

皮埃尔-克劳德·艾特辛（Pierre-Claude Aitcin），加拿大舍布鲁克大学荣誉教授，美国混凝土协会荣誉会员。长期致力于混凝土技术工作。2013年，魁北克工程师协会OIQ（Ordre des ingénieurs du Québec）授予其"杰出成就奖"。1989年至1998年，担任加拿大自然科学和工程研究理事会混凝土工业主席，并于1989年创立了混凝土基础设施研究中心。在他的努力下，舍布鲁克大学成为国际领先的混凝土研究中心之一。罗伯特·弗拉特（Robert J. Flatt），苏黎世联邦理工学院（ETH）建筑材料研究所教授，Cement and Concrete Research期刊主编，瑞士国家数字制造能力研究中心副主任，ETH建筑、工程和建筑增强计算设计中心设计及咨询委员会创始人、主席，ETH研究委员会成员，RILEM Technical Letters期刊副主编。在进入ETH之前，曾任西卡公司无机材料首席科学家，普林斯顿大学博士后，洛桑瑞士联邦理工学院博士。王栋民，中国矿业大学（北京）教授，博士生导师。中国硅酸盐学会常务理事，固废与生态材料分会理事长。从事混凝土外加剂研究34年，主要研究方向包括：泵送剂、膨胀剂、聚羧酸减水剂等混凝土外加剂及其应用，成果丰硕。目前致力于固废资源化与生态建材、低碳胶凝材料和水泥混凝土可持续发展的研究与应用。发表学术论文200余篇，授权发明专利30余项，出版学术专著（含译著）8部。张力冉，博士，北京服装学院材料设计与工程学院副教授。中国矿业大学（北京）博士，清华大学/深圳大学博士后，北京市青年托举人才，中国硅酸盐学会固废与生态材料分会青委会委员，北京纺织工程学会委员。长期从事混凝土外加剂绿色制备技术、生物基外加剂在碱激发材料中的应用、柔性传感器设计及其在混凝土健康检测中的应用等研究。在国内外学术期刊发表论文30余篇，授权发明专利7项。黄玉美（Serina Ng），新加坡人，石家庄市长安育才建材有限公司副总经理，"天府峨眉计划"省级人才，海智特聘专家，RILEM委员。慕尼黑工业大学建筑化学博士，精通英、汉、日、德、挪威语五种语言。从事建材及混凝土外加剂研发15余年，研究方向包括高效减水剂、功能小料、环保材料、混凝土技术等。曾任德国拜尔斯道夫公司、挪威科技工业研究所研发高管。发表文章和专利130余篇，其中SCI/EI文章60多篇，授权发明专利18项。

0混凝土外加剂发展的历史背景001

0.1早期发展001

0.2外加剂科学的发展002

0.3外加剂的使用003

0.4合成分子和聚合物的使用003

0.5复杂的人造术语003

0.6外加剂的分类005

0.7水泥颗粒分散作用的重要性006

参考文献009

第一篇硅酸盐水泥与混凝土基础

01水灰比和水胶比的重要性012

1.1引言012

1.2水灰比的内在含义013

1.3复合水泥浆体的水灰比和水胶比014

1.3.1含有辅助性胶凝材料的复合水泥015

1.3.2含有填料的复合水泥016

1.3.3w/c和w/b的相对重要性017

1.4如何降低水灰比和水胶比017

1.5结论018

参考文献019

02水泥的水化现象020

2.1引言020

2.2勒夏特列（Le Chatelier）实验020

2.3Powers对水泥水化的研究021

2.3.1w/c为0.42的水泥浆体水化反应021

2.3.2w/c为0.36的水泥浆体在水中养护的水化022

2.3.3w/c为0.60的水泥浆体在水中养护的水化022

2.3.4w/c为0.3的水泥浆体的水化反应023

2.4低水灰比混凝土的养护024

2.4.1收缩的不同方式024

2.4.2根据w/c养护混凝土024

2.5结论025

参考文献026

03硅酸盐水泥027

3.1引言027

3.2硅酸盐水泥熟料的矿物组成028

3.3熟料的制备030

3.4硅酸盐水泥的化学成分032

3.5硅酸盐水泥的粉磨034

3.5.1水泥颗粒形态的影响034

3.5.2为什么在粉磨硅酸盐水泥时添加硫酸钙？035

3.6硅酸盐水泥的水化036

3.7熟石灰（氢氧化钙）039

3.8目前水泥验收标准039

3.9水化反应的副作用040

3.10总结040

附录3.1铝酸三钙041

附录3.2钙矾石044

参考文献045

04辅助性胶凝材料和复合水泥047

4.1引言047

4.2结晶态和玻璃态048

4.3高炉矿渣050

4.4粉煤灰053

4.5硅灰055

4.6煅烧黏土057

4.7天然火山灰057

4.8其他辅助性胶凝材料058

4.9填料061

4.10磨细玻璃061

4.11复合水泥062

4.12结论062

参考文献062

05水及其对混凝土性能的影响064

5.1引言064

5.2水在混凝土中的重要作用064

5.3水对混凝土流变性的影响065

5.4水和水泥水化066

5.5水和收缩066

5.5.1总则066

5.5.2如何消除塑性收缩的风险068

5.5.3如何缓解自收缩068

5.5.4如何提供内部水源069

5.5.5如何消除干缩070

5.6水与碱/骨料反应070

5.7某些特殊领域水的应用070

5.7.1海水070

5.7.2预拌操作中产生的废水070

5.8结论071

参考文献071

06混凝土中引入的空气：流变性和抗冻性074

6.1引言074

6.2残留气泡与引入气泡074

6.3引气的作用075

6.3.1引气对新拌混凝土工作性的影响075

6.3.2引气对裂纹扩展的影响076

6.3.3引气对混凝土吸水率和渗透率的影响076

6.3.4容纳膨胀性水化产物076

6.3.5引气对抗冻融循环的影响077

6.4泵送对含气量和间距系数的影响078

6.5复合水泥中的引气079

6.6结论079

参考文献080

07混凝土流变性：认识化学外加剂的基础081

7.1引言081

7.2流变学的定义082

7.2.1剪切层流082

7.2.2剪切应力083

7.2.3剪切速率083

7.2.4流动曲线084

7.3不同的流变行为084

7.3.1牛顿流体084

7.3.2宾汉姆流体085

7.3.3具有屈服应力的剪切变稀和剪切增稠流体086

7.4悬浮液的微观力学行为086

7.4.1屈服应力087

7.4.2黏度087

7.4.3触变性088

7.4.4混凝土：一种黏弹塑性材料089

7.4.5泌水与离析090

7.5影响混凝土流变性的因素091

7.5.1总则091

7.5.2加工能量对混凝土流变性的影响091

7.5.3固相浓度对黏度和屈服应力的影响091

7.5.4水泥浆体/骨料比和砂浆/骨料比对混凝土流变性的影响092

7.5.5浆体成分的影响093

7.5.6含气量对混凝土流变性的影响095

7.6混凝土的触变性095

7.6.1触变性对混凝土施工的影响095

7.6.2量化触变性的实验方法095

7.7结论098

参考文献099

08水泥水化机理104

8.1引言104

8.2C3A的水化104

8.3阿利特的水化106

8.3.1阿利特水化化学和水化阶段106

8.3.2阶段0和阶段Ⅰ：初始溶解106

8.3.3阶段Ⅱ：诱导期108

8.3.4阶段Ⅲ：加速期109

8.4普通硅酸盐水泥的水化111

8.4.1水泥水化阶段111

8.4.2硅酸盐铝酸盐硫酸盐平衡112

8.5结论113

参考文献114

第二篇外加剂化学与工作机制

09化学外加剂的化学性质120

9.1引言120

9.2减水剂和超塑化剂120

9.2.1简介120

9.2.2天然聚合物121

9.2.3线形合成聚合物124

9.2.4梳形共聚物129

9.3缓凝剂135

9.3.1简介135

9.3.2碳水化合物136

9.4调黏剂138

9.4.1简介138

9.4.2天然聚合物139

9.4.3半合成聚合物139

9.4.4合成聚合物142

9.4.5无机粉体142

9.5引气剂142

9.5.1简介142

9.5.2表面活性剂的通性143

9.5.3引气混合物的来源145

9.5.4阴离子表面活性剂146

9.5.5阳离子表面活性剂149

9.5.6两性表面活性剂150

9.5.7非离子表面活性剂151

9.6减缩剂153

9.6.1简介153

9.6.2SRA的历史和工作机制153

9.6.3用作SRA的表面活性剂的通性和概述153

9.6.4SRA中使用的化合物的类别155

9.7结论160

参考文献160

10化学外加剂的吸附170

10.1引言170

10.2吸附和流动度171

10.2.1初始流动度171

10.2.2流动度保持171

10.3吸附等温线171

10.3.1吸附基础现象学171

10.3.2简单吸附等温模型172

10.3.3超塑化剂吸附等温线的线性区173

10.3.4水泥基体系吸附的具体问题175

10.4分子结构与吸附175

10.4.1通性175

10.4.2超塑化剂的吸附176

10.4.3表面活性剂在固液界面的吸附178

10.5表面与溶液之间的动态交换180

10.5.1吸附的可逆性180

10.5.2竞争吸附181

10.6消耗（无效吸附）182

10.6.1沉淀182

10.6.2有机铝酸盐182

10.6.3比表面积的变化184

10.6.4黏土矿物吸附184

10.7表面活性剂在气液界面的吸附185

10.7.1表面活性剂吸附和形成胶束的驱动力185

10.7.2表面活性剂在气液界面的吸附186

10.8吸附测试的实验问题187

10.8.1悬浮液制备187

10.8.2液相分离189

10.8.3提取后的液相稳定190

10.8.4液相分析190

10.8.5利用zeta电位间接测定吸附量191

10.8.6比表面积的测试191

10.9结论192

参考文献192

11减水剂与超塑化剂的作用机理200

11.1引言200

11.2色散力200

11.3静电力201

11.4DLVO理论204

11.5空间位阻力208

11.6超塑化剂的作用209

11.6.1静电斥力作用209

11.6.2空间位阻作用210

11.6.3聚羧酸分子结构的具体作用212

11.7结论214

参考文献215

12化学外加剂对水泥水化的影响218

12.1引言218

12.2缓凝机理220

12.2.1溶液中钙离子的络合220

12.2.2抑制无水矿相的溶解220

12.2.3抑制水化产物成核和生长221

12.2.4扰动硅酸盐铝酸盐硫酸盐平衡223

12.3超塑化剂的缓凝作用225

12.3.1PCE超塑化剂分子结构的作用225

12.3.2化学组成的作用226

12.4糖的缓凝作用227

12.4.1综述227

12.4.2研究概况227

12.4.3分子结构的作用228

12.4.4络合和稳定性的作用231

12.4.5吸附的作用232

12.4.6其他问题233

12.5结论234

参考文献234

13减缩剂的作用机理240

13.1引言240

13.2胶凝体系收缩的基本原理241

13.2.1毛细管压力理论241

13.2.2分离压理论242

13.2.3收缩的热力学框架243

13.3SRA对干缩的影响244

13.3.1宏观变化245

13.3.2减缩的作用机理247

13.4SRA对干燥收缩的掺量响应248

13.5结论249

参考文献250

14钢筋混凝土的阻锈剂253

14.1引言253

14.2混凝土中钢筋的锈蚀机理254

14.2.1初始阶段254

14.2.2扩散阶段256

14.3混凝土中钢筋的阻锈剂256

14.3.1机理257

14.3.2掺入阻锈剂的实验室研究257

14.3.3有机阻锈剂混合物的作用262

14.4阻锈剂的临界评价263

14.4.1阻锈剂测试263

14.4.2浓度依赖性263

14.4.3阻锈剂作用的测量和控制264

14.5结论264

参考文献264

第三篇外加剂技术

15商业产品配方270

15.1引言270

15.2性能目标270

15.2.1坍落度保持271

15.2.2环境条件271

15.2.3凝结和硬化控制271

15.2.4消泡剂272

15.2.5辅助表面活性剂和水溶性化合物272

15.2.6抗菌剂272

15.3成本问题273

15.4结论273

参考文献274

16超塑化剂276

16.1引言276

16.2超塑化剂的应用基础276

16.2.1超塑化剂的主要类型276

16.2.2超塑化剂分散的实际效用277

16.2.3胶凝体系中超塑化剂的流变试验277

16.3超塑化剂对流变性的影响279

16.3.1屈服应力279

16.3.2塑性黏度281

16.3.3剪切增稠281

16.3.4拌合方案的重要性282

16.3.5流动性保持282

16.3.6延迟流化283

16.4意外或不期望行为284

16.4.1基本情况284

16.4.2标准实验不足以鉴别不相容性284

16.4.3混凝土中水泥/超塑化剂的鲁棒性285

16.4.4水泥组分的作用285

16.4.5超塑化剂的作用288

16.4.6与其他外加剂的相互作用290

16.5结论291

参考文献291

17引气剂297

17.1引言297

17.2引气机理297

17.3气泡网络的主要特征298

17.4气泡网络的形成299

17.4.1配方参数的影响300

17.4.2拌合工艺参数的影响303

17.5气泡网络的稳定性304

17.5.1新拌混凝土运输的影响304

17.5.2振捣和泵送的影响304

17.6结论305

参考文献305

18缓凝剂308

18.1引言308

18.2冷却混凝土以延缓凝结308

18.3缓凝剂的使用310

18.3.1用于延缓混凝土凝结的不同化学品310

18.3.2北美不同的缓凝剂标准化310

18.3.3糖作为缓凝剂310

18.3.4掺量311

18.4添加时间312

18.5一些过度缓凝的案例312

18.5.1拆模后预制板开裂312

18.5.2一个特别勤奋的集装卡车司机313

18.5.3缓凝剂的意外过量313

18.5.4海上平台的重力基座滑模施工314

18.6结论315

参考文献315

19速凝剂316

19.1引言316

19.2加速混凝土硬化的方法316

19.2.1使用高强度水泥316

19.2.2降低w/c或w/b317

19.2.3加热混凝土317

19.2.4隔热措施317

19.2.5使用速凝剂318

19.3不同类型的速凝剂318

19.4CaCl2速凝剂318

19.4.1作用机理319

19.4.2添加方式320

19.4.3CaCl2使用规则320

19.5喷射混凝土速凝剂320

19.6结论321

参考文献322

20调黏剂323

20.1引言323

20.2调黏剂的性能323

20.2.1调黏剂的作用机理323

20.2.2调黏剂对胶凝体系流变性的影响324

20.2.3超塑化剂存在下调黏剂的性能325

20.3保水剂的作用机理328

20.4调黏剂聚合物对水泥水化的影响331

20.5调黏剂用于自密实混凝土配制334

20.6结论335

参考文献335

21防冻剂338

21.1引言338

21.2北美冬季混凝土的浇筑338

21.3防冻剂338

21.4加拿大北部高压输电线路的建设339

21.5亚硝酸钙在纳尼西维克的应用339

21.6结论342

参考文献342

22膨胀剂343

22.1引言343

22.2原理343

22.3膨胀机制345

22.3.1因钙矾石的形成而膨胀345

22.3.2因氢氧化钙的形成而膨胀346

22.4自由膨胀和限制膨胀的测量347

22.4.1自由膨胀347

22.4.2限制膨胀347

22.5影响膨胀的因素349

22.5.1膨胀剂掺量349

22.5.2养护条件349

22.5.3温度350

22.5.4试验方法：限制膨胀与自由膨胀351

22.6掺加膨胀剂的混凝土的现场应用352

22.6.1桥面352

22.6.2地面平板353

22.6.3黏结混凝土的覆盖层353

22.