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无需金手指,也能“点石成金”——外加剂,改变混凝土世界


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洞穴栖身,摩天观景

建筑承载人类文明的演化

 

外加剂从诞生之日起

就成为混凝土不可或缺的组分

它成就了混凝土的大发展

从天然物料到工业品

外加剂历经数千年发展

漫长而缓慢

百年间的工业外加剂发展

突飞猛进

 

外加剂是如何诞生的?

它是如何改变混凝土世界的?


以下内容来自于中国混凝土外加剂博物馆,如果你感兴趣的话可以点击《共享共创|中国混凝土外加剂博物馆筑梦之旅》查看。


“混凝土外加剂是混凝土中除胶凝材料、骨料、水和纤维组分以外,在混凝土拌制之前或拌制过程中加入的,用以改善新拌混凝土和(或)硬化混凝土性能,对生物安全、对环境无害的材料。”

——国标GB 8075-2017



 “外加剂科考 


外加剂的发展经历过天然物料、工业替代品、工业品等发展阶段。


1

天然物料年代/ 19C前


中国古建筑在施工中会掺入少量“添加剂”,它们巧妙地与古建筑施工材料混合,通过物理和化学反应提高古建筑强度、防潮、防老化等性能。


(1)糯米灌浆,加固建筑

糯米又称江米,主要成分为支链淀粉,化学结构式为(C6H10O5)n


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图片来源:摄图网


研究表明:掺入糯米的灰浆具有强度大、韧性好、防渗性好、防腐性好等优点,其主要原因在于:糯米的主要成分支链淀粉为树枝型分支结构的多糖大分子,黏性很强,其空间形态交错有序,形成吸引力很大的空间网格,可限制Ca(OH)2CO2的反应,对CaCO3方解石结晶体(灰土中的石灰)的大小和形貌也有调控作用,因而有利于结晶体的致密。


《天工开物》之《燔石·第十一》载:“用以襄墓及贮水池,则灰一分,入河沙、黄土二分,用糯粳米、羊桃藤汁和匀,轻筑坚固,永不隳坏,名曰三和土。”即在砌筑墓地、蓄水池等地下建筑时,用石灰、沙子、黄土按1∶2∶2混合,再掺入糯米、猕猴桃汁拌匀,即可建造出牢固不坏的建筑。


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《天工开物》载:石灰1份、河砂2份,

加糯米糡、羊桃藤汁搅拌均匀制贮水池


(2)古建金砖,“使灰钻油”

桐油是一种植物蛋白胶,具有很强的反应活性、干燥性能及聚合性能。


桐油易于在泥灰类粘接材料表面发生包裹作用,并填充颗粒间空隙,使水分更容易散失,起到防潮防渗作用。


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图片来源:摄图网


紫禁城古建筑地面铺墁金砖时,有一道“使灰钻油”的工序,在铺墁完的金砖面层上分三次浇筑桐油,浇筑桐油的金砖地面坚固密实,历经数百年光亮如新。


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太和殿金砖地面

图片来源:百家号-不可不知的世界


(3)石材铺墁 白矾“溜缝”

白矾主要成分为硫酸铝钾KAl(SO4)2·12H2O,溶于水后可生成氢氧化铝等胶状沉淀物,具有一定的胶凝功能。中国古建筑基础、瓦石、彩画等工程中巧妙掺入白矾。

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图片来源:摄图网


现代科学研究表明:明矾掺入灰土后,会形成钙矾石,其固相体积膨胀对糯米灰浆的干燥收缩起一定补偿作用,因而有利于提高灰土的抗压强度、耐水性能和耐冻融性能。


颐和园十七孔桥铺墁所用灰浆多含有白矾。掺入白矾的灰浆材料不仅使得石材与基层牢固结合,还具有防水效果。


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颐和园十七孔桥

图片来源:摄图网


2

替代品年代/ 19C-20C初


工程师在混凝土中添加工业物料,以改进水泥混凝土的强度、抗冻、耐水和浇筑等性能。这是现代外加剂的雏形。


1885年,欧洲

CaCl2,达到促硬和调凝作用。

 1910年

疏水剂、塑化剂,改善施工性和耐水性。

 1930s,美国

松香树脂酸类引气剂“文沙树脂”(vinsol resin),提高抗冻性。


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北美洲公路


3

工业品年代/ 20C


针对胶凝材料的特性和混凝土性能,工程师试制不同性能和品种的外加剂,开启了现代外加剂的发展。


混凝土外加剂的第一次技术革命——木质素磺酸盐等塑化剂


1935年,美国斯克里彻(E.W. Scripture)研制成功以木质素磺酸盐为主要成分的塑化剂(Plasticizer),并推广应用。这标志着现代意义上的混凝土外加剂历史的开端。


此后,美国、英国和日本等国开始在公路、隧道和地下工程中使用引气剂、塑化剂、防冻剂和防水剂。


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高速公路


混凝土外加剂的第二次技术革命——萘系等高效减水剂


20世纪60年代,混凝土建筑的结构日趋复杂、体量日趋巨大。急需显著改善混泥土物理、力学和耐久性能,以及其施工性能。开发高效外加剂及其应用技术成为必由之路。


1962年,日本服部健一(Kenichi Hattori)等首先研制出以β~ 萘磺酸甲醛缩合物钠盐为主要成分的减水剂(萘系减水剂),具有高减水率、低凝结时间敏感性、低引气量等优良特性,适合制备高强、大流动度混凝土。


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萘系高效减水剂PNS分子结构


联邦德国研制成功磺化三聚氰胺甲醛缩合物减水剂(蜜胺树脂系减水剂)。蜜胺树脂系系减水剂与萘系具有相同性能。


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密胺树脂高效减水剂PMS分子结构


此外还出现多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物减水剂。


这三类减水剂在减水率等性能远超之前的木质素、萘磺酸盐等减水剂,被称为高效减水剂(High Range Water reducer)或超塑化剂(Superplasticizer)


混凝土外加剂的第三次技术革命——聚羧酸系等高性能减水剂


1981年,日本枚田健(Tsuyoshi Hirata)发明聚羧酸系高性能减水剂(PCE),1985年开始应用于混凝土工程。


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聚羧酸系高性能减水剂PCE分子结构


1995年,日本将聚羧酸系高效能减水剂列入JISA6204国家标准,并命名为高效能AE减水剂。并于1997年列入JASS5日本建筑学会标准。



混凝土演变

——外加剂推动混凝土发展


从大地湾古代混凝土、古罗马天然混凝土,到现代钢筋混凝土、聚合物混凝土等,混凝土的材性、工艺、技术和设备不断推陈出新,在世界得到广泛应用,成为最重要的建筑材料之一。深刻地影响着人类建筑文明。


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用罗马混凝土建造的罗马斗兽场

图片来源:摄图网


如果你对混凝土的历史感兴趣,可以点击这里《最初的混凝土建筑,不是为人民建造的,而是为众神建造的》了解更多它的故事。


而外加剂的出现和应用,彻底改写了传统混凝土的概念和性能。外加剂让混凝土可以像水一样流动、像石头一样结实和耐久,成为混凝土不可或缺的组分。


外加剂极大改善混凝土物理力学、耐久性能,以及施工性能,不断刷新建筑高度、桥梁跨度、隧道长度、大坝高度。


1

天空之城


外加剂极大提高了混凝土的施工性能,使混凝土泵送高度越来越高,从“三峡大坝”到 “天空之城”。

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圣潘克拉斯万丽酒店 (1873),82m

图片来源:搜狐焦点-搜狐焦点网

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帝国大厦(1931), 381m

疏水剂、塑化剂

图片来源:摄图网

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台北101大楼(2004),508m

聚羧酸系高性能减水剂

图片来源:摄图网


2

飞越山海


外加剂极大提高了混凝土的结构性能和耐久性,不断刷新桥梁跨度。


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赵州桥(AD618),跨度37.02m

图片来源:摄图网

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(a00001) 布鲁克林大桥(1883),主跨486m

图片来源:摄图网

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旧金山金门大桥(1937),主跨1280m

图片来源:摄图网


3

穿山越岭


外加剂极大提高了混凝土抗渗性能和调凝性能,使得混凝土能满足隧道工程早强、速凝和防抗等性能要求,使隧道长度不断取得突破。


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(a00001) 英法海底隧道(1994)

50.5km,速凝剂

图片来源:巴陵时尚-爱乐活小组

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中国石太客运专线太行山隧道(2009)

27.84km,聚羧酸系高性能减水剂、速凝剂

图片来源:VIP世界之最-V眼看世界

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瑞士圣哥达基线隧道(2016)

57.6km,高效减水剂,速凝剂

图片来源:搜狐号-56民族行


4

高峡平湖


外加剂极大改善了大坝混凝土水化温升、抗裂、耐久性,不断刷新大坝体量。


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墨西哥奇科森坝(1970),261m

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塔吉克斯坦努列克大坝(1980)

 300m,高效减水剂

图片来源:中国能源报

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 中国锦屏一级大坝(2013)

305m,缓凝高效减水剂

图片来源:网易号-路过的萌主 


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