摘 要：本文系统地介绍了混凝土外加剂的种类与功能。通过对ZX 高效防水剂抗裂防水机理的探讨，表明其可广泛用于有抗渗要求的水工混凝土中。
关键词：外加剂 防水剂 收缩 抗裂 混凝土
长期以来，我国工业与民用建筑工程中的防水技术不尽人意。存在严重渗漏现象，有些建筑每隔三五年就要返修一次，发生高额的维修费用，造成巨大的损失和浪费。建设部曾对1980～1990 年竣工的建设工程进行渗漏状况的随机抽检，调查了2072 栋建筑，其中有3～4 成的工程存在不同程度的渗漏，情况非常严重。解决的方案是在其层上铺贴防水卷材，或涂布防水涂料使之形成防水隔离层。这就是所谓的柔性防水技术。这种技术,成本费用较高，防水层一旦损坏或失效，渗漏部位难以寻找，修复困难。是只能“治标”的外防水技术。
采用在混凝土中掺入减水剂，防水剂等混凝土外加剂，使浇筑后的混凝土细致密实，水分子难以通过，从而达到防水目的的手段，这就是人们通常所说的刚性防水技术。此种技术工艺简单，成本低廉，出现渗漏现象后修复较容易，无需重新铺设防水层或浇筑防水混凝土。被称为“治本”的内防水技术，在工程中得到了广泛的应用。
在水利水电建设中，各种类型的大坝对坝基的要求不容忽视。要求坝基要有足够的强度以承受坝体压力；有足够的整体性和均匀性以满足坝基抗滑稳定和减小不均匀沉陷；有足够的抗渗性以满足大坝抗渗稳定；有足够的耐久性以防止岩体性质在渗水的长期作用下发生恶化等等。当坝基岩体中有较大的断层破碎带或软弱夹层时，由于它们一般都是由一定厚度的各种破碎，软弱物质组成，其强度和弹性模量较低，抗水性差，与两侧新鲜，坚硬岩体的物理力学特征有明显差异，必须进行专门的处理，以保证大坝的安全。其基本的办法不外乎开挖回填混凝土，进行混凝土塞的置换处理，采用抗剪洞塞或传力洞塞及锚固措施等等。值得注意的是，为解决经开挖后围岩松弛变形及构造面暴露卸荷后的力学指标如弹性模量的降低，必须采取高压固结灌浆，帷幕灌浆和排水等处理。要做到这一点，除需对混凝土原材料的性能及配合比参数进行深入细致的研究以外，在水泥混凝土中掺入外加剂，是行之有效的办法。
何为水泥混凝土外加剂？混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入的、用以改变混凝土性质的物质。一般情况下其掺量不大于水泥质量的5%。水泥混凝土外加剂按其主要功能，可分为4 类。
（1）改变混凝土拌合物流变性能的外加剂。如各种减水剂、引气剂、泵送剂、保水剂、灌浆剂等。
（2）调节混凝土凝结时间和硬化性质的外加剂。如缓凝剂、早强剂、速凝剂。
（3）改善混凝土耐久性的外加剂。如引气剂、阻锈剂、防水剂。
（4）改善混凝土其他性质的外加剂。如加气剂、膨胀剂、防冻剂、着色剂、碱-集料反应抑制剂。除上述分类方法外，还可以按其主要功能命名为：减水剂、高效减水剂、早强减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂、早强剂、速凝剂、缓凝剂、引气剂、加气剂、泡沫剂、消泡剂、防冻剂、膨胀剂、防水剂、阻锈剂、流化剂、保水剂等等。现介绍几种重要的外加剂。
（1）减水剂。减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下能减少拌和用水的外加剂。减水剂具有吸附--分散作用、润滑作用、湿润作用，所以，只要掺加很少量的减水剂就能使新拌混凝土的工作性能显著改善，并对硬化后的水泥混凝土带来一系列的优点。使用减水剂对混凝土有以下技术经济效益：①在保证混凝土工作性质和水泥用量不变的条件下，可以减少拌和用水量，提高混凝土强度。特别是高效减水剂可大幅减少用水量，制备早强、高强混凝土；②在保持混凝土用水量和水泥用量不变的条件下，可增大混凝土的流变性，如采用高效减水剂，可制备大流动混凝土；③在保证混凝土工作性质和强度不变的条件下，可减少水泥用量。
减水剂按其作用效果可分为普通性和高效型两种，前者减水率小于10%，后者可达20%以上 。
减水剂的防水机理：普通混凝土在水泥水化过程中，水泥矿物组成携带异型电荷的离子相互吸引，水泥颗粒在液相的热运动中相互碰撞并吸附，加之颗粒间的聚结引力作用，使水泥颗粒形成了不规则的絮凝状结构，其中包含着许多拌和水，这就减小了水泥颗粒与水的接触面，而使水泥不能充分水化，降低了混凝土的密实度。同时，絮凝状结构增加了水泥颗粒间的摩擦力，使混凝土拌合物的和易性变差。为改善和易性，势必要加大拌和水量，这就导致了水泥在硬化过程中存在多余水分，它们蒸发后形成孔隙则不利于防水抗渗。减水剂是一种表面活性物质，掺入新拌混凝土后，由于它的吸附--扩散作用，使水泥絮凝状物结构解体释放出原被包裹的封闭拌和水。这就保证了在一定的和易性要求时，大大减少拌和用水量，使混凝土中游离水的数量降低，从而减少了水分蒸发留下的毛细孔隙，提高了混凝土的密实性。同时，因减水剂溶于水后产生的阴离子吸附于水泥颗粒表面，使之带负电荷而互相排斥，从而使水泥颗粒彼此分离、扩散，形成高度均匀分散的悬浮颗粒，在颗粒间起到润滑作用，有效地改善混凝土中孔结构的分布情况，使孔径和孔隙率减小。
（2）早强剂。早强剂是加速混凝土早期强度发展的外加剂。早强剂对水泥中的硅酸三钙和硅酸二钙等矿物的水化有催化作用，能加强水泥的水化和硬化，为取得更为有效的早强效果，通常采用复合早强剂。常用的早强剂分为无机盐类、有机盐类和有机复合的复合早强剂3 类。
（3）引气剂。引气剂是在搅拌混凝土过程中引入大量均匀分布的微小气泡的外加剂。引气剂为憎水性表面活性物质，由于能降低水泥—水—空气的界面能，同时因为它的定向排列，形成单分子吸附膜，提高了泡沫的强度，并使气泡排开水分而吸着于固相离子表面，因而能使搅拌过程中混进的空气形成微小（孔径0.01～2mm）而稳定的气泡，均匀分布于混凝土中。由于这些气泡的存在，可改善混凝土的和易性，减少泌水和离析。对于硬化后的混凝土，由于有这些气泡的隔离，切断了毛细孔通道，使水分不易渗入，又可缓冲其水分结冰膨胀作用，因而提高混凝土的抗冻性和抗蚀性。
（4）缓凝剂。缓凝剂是延缓混凝土凝结时间的外加剂。大家知道，和易性是水泥混凝土拌和物在一定条件下，不仅容易施工，而且还能获得质量均匀成型密实并充满模型腔的综合性能指标。它包含了混凝土的流动性、粘聚性和保水性。水工建筑物属于大体积混凝土施工，良好的流动性能确保混凝土均匀密实，而良好的粘聚性又确保了混凝土能形成一个密实均匀的整体，使之不产生离析。另外，保水性能确保混凝土不产生内部析水和集料沉降，避免混凝土内部产生空洞和在浇筑层间产生疏松层。缓凝剂就是基于此种需要的一种重要的外加剂。它可以有效的调节混凝土的凝结时间，延缓水化作用、最高温升。确保在相对较长的时间内保持一定的和易性，以确保浇筑质量。
（5）防冻剂。能显著降低混凝土的冰点，使其在一定的负温度范围内不受冻结，不受冻害，并能继续起水化反应，促使混凝土凝结硬化并获得预期强度。
（6）泵送剂。在很多场合混凝土的施工，是在混凝土泵的推动下，沿输送管道进行运输并在管道出口处直接浇筑，除满足混凝土设计规定的拌和物强度、耐久性能外，还要满足管道输送过程中对混凝土拌和物的要求，且摩阻小，不离析，不阻塞和良好的粘塑性。具有上述功能的外加剂叫泵送剂。
（7）流化剂。又称塑化剂。在混凝土中掺入流化剂，其目的不是为了提高混凝土的强度，而是为了提高混凝土的流动性，配置流态混凝土，故称流化剂。其实际上是一种高效减水剂。与一般减水剂不同，其一，它的减水率一般为20～30%，是一般减水剂减水率的二倍，对水泥混凝土拌和物有更为明显的分散效果；二是它的低引气性，流化剂的掺入不会降低水溶液的表面张力，因此在混凝土拌和过程中几乎不引入空气，此特性对配置高强度混凝土尤为重要；三是无缓凝性，即使掺量较高也无缓凝现象。流化剂的这种性质取决于它的下述3 种作用。
1) 双电层保护作用。塑化剂掺入新拌水泥混凝土中，离析出正负离子。憎水基团为负离子，吸附于水泥颗粒表面，使其表面产生表面电位，它强烈地吸附阳离子又形成电位层，因此在水泥离子外围形成双电层。由于双电层产生的电斥力，使水泥粒子间相互排斥，防止了水泥粒子的凝聚，同时把网状物结构中的水分释放出来达到塑化的目的。
2) 润滑作用。流化剂是表面活性物质。掺入混凝土拌和物后，降低了水表面的张力使水泥颗粒容易被湿润。
3) 吸附作用。表面活性剂在水泥颗粒周围产生定向吸附，在水泥颗粒表面形成吸附膜，使水泥颗粒的溶化层加厚，形成滑动层，增加了水泥砂浆的滑动能力，因而使水泥颗粒更加分散，增大流动性。
这里要说明的是，流态混凝土的发展与泵送混凝土施工的发展是密切相关的。 泵送混凝土对混凝土拌和物提出了较高的质量要求，要求大流动性便于泵送和浇筑，同时又要求混凝土拌和物不产生离析、分层现象，具有良好的和易性，加入流化剂的混凝土恰好能满足这种要求。
（8）膨胀剂。混凝土在干燥时产生收缩，易使砂浆混凝土产生裂缝，降低抗拉强度，破坏结构的整体性和混凝土的抗渗性。膨胀剂是在使混凝土在水化过程中，产生一定体积的膨胀，并产生一定自应力的外加剂。
（9）防水剂。是由化学原料配置而成的一种能起到提高水泥砂浆或混凝土不透水性的外加剂。在使用中，一般按比例掺入沙浆或混凝土中，以形成防水沙浆或混凝土。常用防水剂有氯化物金属盐类防水剂、金属皂类防水剂和硅酸钠防水剂等类型。防水剂是依靠化学反应生成的胶体的密实填充作用、新生化和物对水泥熟料矿物的激化作用、易溶性物转化成难溶物的作用、降低析水性等作用，通过增强混凝土的密实性来提高抗渗性的。
筑新牌ZX 高效防水剂（以下简称ZX）是哈尔滨工业大学最新研制开发的高科技新型防水材料，是传统防水剂的更新换代产品。ZX 与同类产品相比具有高效多功能型，经黑龙江省建设厅组织鉴定和推广认证，北京市建设工程质量检测中心和黑龙江省工程质量监督检测中心检测，已进入北京市建设委员会公布的北京市建筑工程材料供应备案名录。
其各项技术性能指标均达到JC474—1999《砂浆、混凝土防水剂》〉标准中一等品的质量要求，居于国内同类产品领先水平。
ZX 高效防水剂由减水组分、膨胀组分、引气组分、凝胶组分及减缩组分组成。不仅具有高抗渗性能（掺ZX 砂浆试件可承受50 个水压以上），而且具有膨胀减缩功能，能有效抑制正常施工条件下的混凝土及砂浆的开裂。众所周知，收缩伴随产生的开裂，降低了结构的强度，为空气和水进入混凝土提供了通道，易使混凝土发生碳化腐蚀、钢筋锈蚀，在严寒地区还会发生冻融循环。
混凝土的收缩，可分为塑性收缩、温度收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩五大类型。其中以干燥收缩的影响最为普遍。因此抑制或减弱干燥收缩，势必就会有效地抑制混凝土的开裂。理论研究表明，混凝土毛细管张力的产生和增大是造成干缩的根本原因所在。毛细管张力学说认为，毛细管张力可表示为拉普拉斯方程：
△P＝σ(1/r1＋1/r2)
式中：σ为液体的表面张力；
r1、r2 为毛细孔水的曲率半径。由拉普拉斯方程可知，影响△p 的重要参数是σ和r。随着毛细孔水的散失，r1和r2变小，△ P增大，毛细孔张力在孔壁上产生拉力，进而导致在宏观上的混凝土收缩。
ZX 高效防水剂就是在上述理论的指导下研制而成，其减缩抗裂抗渗机理如下。
（1）减水抗裂机理。ZX 中的减水组分能大幅度减少混凝土的拌合水量，亦即减少由水形成的毛细管的数量，毛细管的数量的减少，势必减少由毛细管存在所产生的混凝土收缩的总张力。
（2）引气抗裂机理。适宜的引气组分将在混凝土中形成微小的封闭气泡，这些气泡将会阻断毛细管，抑制毛细管中水分的蒸发散失，使毛细管中水的曲率半径r 不变或变化甚小，使引起混凝土收缩的毛细管张力（ △p）变化不大或推迟增大。
（3）凝胶抗裂抗渗机理。ZX 中含有一定量的减缩剂，减缩剂由日本人研制成功，1985 年取得专利，在许多重大工程中取得了成功的应用。减缩剂的化学组成为聚醚或聚醇类有机物，该物质均为表面活性剂，能显著降低液体的表面张力σ，由拉普拉斯方程可知，σ减小，△p 减小，因而可显著抑制收缩。
（4）膨胀减缩抗裂机理：ZX 中的膨胀组分是与传统UEA 和CEA 不同的一类遇水膨胀的物质,可通过其膨胀达到部分补偿收缩的作用。与同类产品相比，ZX 具有高效多功能性，具有超塑化、高抗渗、高增强、抗离析泌水、抗冻融、耐腐蚀、水泥适应性广、不含有害离子等特点。
ZX 的优点是：掺量低（2%～2.8%）；抗渗等级高(可承受50 水压以上)；减水作用大（减水率大于15%）；增塑效果明显，不需掺兑泵送剂，即可配置高等级大流动性混凝土；可显著提高砂浆、混凝土强度，在保持流动度不变条件下，3d 、7d 、28d砂浆强度可分别提高30%、25%、20%，混凝土强度可分别提高25%、20%、15%；可显著改变砂浆和混凝土结构，具有明显的负温抗冻作用，可在负温条件下（0℃～ -10℃）配置抗冻防水混凝土；ZX 不含氯盐和其他有害物质，对钢筋无锈蚀作用，不会引起碱—集料反应和碱—碳酸盐反应。
ZX 在低掺量（最大掺量为水泥用量的2.8%）的条件下，除具有优异抗渗、防水功能外，还具有早强与增强、增塑泵送、低温抗冻等功能，最为重要的是，由于它特有的多功能性，若采用本产品施工可不需同时掺加多种外加剂，因此，可避免可能出现的，多种外加剂和水泥相容性不良而造成的工程事故。除可节省其他外加剂的费用以外，还可节省水泥用量，在保证工程质量的前提下，降低成本。这一点，在使用了ZX 产品的诸多工程实践中，已然获得印证。