譯者前言

混凝土外加劑是現(xiàn)代混凝土的第五組分，也是最重要的一種組分。它摻量很低，通常不超過混凝土中水泥（膠凝材料）用量的5%，通常在1/10000~1/100之間，但其作用卻是巨大的。真正是四兩撥千斤。

中國混凝土外加劑的研究與應(yīng)用，略晚于一些西方發(fā)達國家，但是發(fā)展很快，在最新一代羧酸減水劑的研究和應(yīng)用方面已經(jīng)與國際上并駕齊驅(qū)、各有千秋了。我國混凝土外加劑的發(fā)展與應(yīng)用也是經(jīng)歷了以木質(zhì)素減水劑為代表的第一代產(chǎn)品、以萘系減水劑為代表的第二代產(chǎn)品和以聚羧酸減水劑為代表的第三代產(chǎn)品這幾個重要階段。

在混凝土外加劑發(fā)展歷程中，我國老一輩科技工作者以及后來的中青年學者先后撰寫出版了不少經(jīng)典的混凝土外加劑著作，這些著作的出版對于我國外加劑和混凝土行業(yè)都起到了很大的推動作用。代表性著作如馮浩高工編著的《混凝土外加劑工程應(yīng)用手冊》一書，介紹混凝土外加劑的品種、主要組分、性能與應(yīng)用，是典型的應(yīng)用導(dǎo)向型圖書，很適合土木工程師和混凝土生產(chǎn)與應(yīng)用的技術(shù)人員學習參考；另一本影響中國混凝土外加劑行業(yè)比較大的是陳建奎教授所著的《混凝土外加劑原理與應(yīng)用》一書，該書是一位洞悉混凝土技術(shù)的化學教授在外加劑的長期潛心研究和科研實踐基礎(chǔ)上凝練出的一部著作，從化學的角度深刻解釋了外加劑的本質(zhì)，是一本學術(shù)導(dǎo)向型圖書，對我國外加劑科研和應(yīng)用起到了很好的理論指導(dǎo)作用。另外尚有石人俊、張冠倫、張云理、盧璋、陳嫣兮、游寶坤、繆昌文、蔣林華、王子明、王棟民、孫振平、何廷樹等人各自的外加劑著作，各有千秋，精彩紛呈。如何將外加劑的創(chuàng)新研究與混凝土科學理論緊密結(jié)合，特別是形成系統(tǒng)的總結(jié)認識，國內(nèi)外學者尚需繼續(xù)努力。

由加拿大A�唗cin和瑞士Flatt編著的《混凝土外加劑科學與技術(shù)》一書彌補了如上一些不足，呈現(xiàn)給我們一些新的體驗、思維、觀點和知識。該書兩位作者分別是國際上混凝土和外加劑領(lǐng)域的頂尖專家：Aitcin是極負盛名的混凝土專家，與中國吳中偉院士、美國Mehta教授齊名，對于混凝土有極深的研究與哲學層級的思考；Flatt是國際頂尖的外加劑專家，曾供職于瑞士西卡公司，系該公司首席科學家，對于混凝土外加劑有深入的一線研究，并長期把握和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展方向，后供職于瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院建筑材料研究所，并兼任國際頂尖期刊Cement and Concrete Research主編。本書最大的特點是把混凝土與外加劑充分而緊密地結(jié)合起來思考問題和加以研究，從混凝土的需求來看待外加劑的分子結(jié)構(gòu)和作用功效，從外加劑的結(jié)構(gòu)來看如何更好地服務(wù)于混凝土。二位大師的密切結(jié)合奠定和創(chuàng)造了本書的獨到特質(zhì)和最佳呈現(xiàn)效果。

本書第一篇開章從水灰比（水膠比）切入，深刻分析了強度、微結(jié)構(gòu)與水膠比的內(nèi)在關(guān)系；從物理學角度探討了水泥水化現(xiàn)象與收縮的關(guān)系；介紹了硅酸鹽水泥、輔助性膠凝材料和復(fù)合水泥；闡述了水的重要作用及其對于混凝土性能的影響；論證了混凝土中引氣對于流變性和抗凍性的影響；特別提出混凝土的流變性是深刻認識化學外加劑的基礎(chǔ)，對混凝土流變學的研究將化學外加劑與混凝土密切連接起來；也討論了水泥水化機理。本篇內(nèi)容著重從水泥和混凝土材料科學的角度探討問題，提出混凝土對于外加劑的重大需求。

第二篇重點介紹和闡述外加劑化學與工作機制。首先從分子結(jié)構(gòu)角度闡述有機和高分子化學外加劑（包括超塑化劑、緩凝劑、調(diào)黏劑、引氣劑和減縮劑等）的設(shè)計和性能，這是特別重要的；然后討論了外加劑在固�惨汉蜌猹惨航缑娴奈�附；介紹了超塑化劑的工作機理；討論了超塑化劑延遲水泥水化的原因；討論了用于控制低水灰比混凝土自收縮和高水灰比混凝土干縮的不同類型減縮劑分子的工作機理；闡述了鋼筋銹蝕的基本原理和解決這一問題的不同方法。本篇是外加劑章節(jié)的核心，從有機化學、高分子化學、表面物理化學和水泥化學的角度深刻揭示化學外加劑作用的本質(zhì)規(guī)律，側(cè)重于理論和學術(shù)問題的研究與解決。

第三篇先討論了制定商業(yè)產(chǎn)品配方的一般原則（第15章），然后分類介紹了不同品種外加劑及其性能和應(yīng)用。第16章介紹超塑化劑，第17章介紹引氣劑，第18章至第25章依次介紹緩凝劑、速凝劑、調(diào)黏劑、防凍劑、膨脹劑、減縮劑、阻銹劑、養(yǎng)護劑。

第四篇介紹了兩種特種混凝土，即第26章自密實混凝土和第27章超高性能混凝土。

第五篇是總結(jié)與展望，第28章對外加劑進行了展望。

本書翻譯過程中，中國礦業(yè)大學（北京）混凝土與環(huán)境材料研究院博士研究生孫睿、王璜琪，碩士研究生耿丹華、王天依、吳亞男、董子良、鄔兆杰、薄艾、焦?jié)衫�、武逸群等參加了全書的翻譯和校對。對以上同學的杰出工作表示深深的謝意！希望并相信本書中文版的出版對于中國混凝土外加劑和混凝土行業(yè)有良好的促進作用，使我國外加劑研究與應(yīng)用的整體水平再上新臺階。

本書原著作者對于中文版的出版非常重視，特別為中文版的出版寫了賀詞，向中國同行推薦此書。

本書中文版出版也受到國內(nèi)同行的高度關(guān)注，中國工程院院士、東南大學教授繆昌文先生，中國建筑材料聯(lián)合會混凝土外加劑分會秘書長、中國建筑材料科學研究總院教授王玲女士分別為本書作序，對本書給出高度評價，并熱情向國內(nèi)讀者推薦。

本書出版還得到了中國混凝土外加劑龍頭骨干企業(yè)石家莊長安育才建材有限公司的大力支持，在此表示最衷心的感謝！也希望長安育才能為我國外加劑和混凝土發(fā)展作出更多貢獻！

本書出版過程中也得到了化學工業(yè)出版社編輯的積極支持，他們及時溝通、協(xié)商和督促，這些高效的工作保證了本書快速和高質(zhì)量的出版，在此表示感謝！

限于時間的緊促和翻譯者的水平，本書中難免有不盡準確和貼切之處，敬請讀者不吝指正！



王棟民張力冉Serina Ng

2022年6月8日







前言

現(xiàn)如今，混凝土外加劑已成為當代混凝土必不可少的關(guān)鍵組分。關(guān)于本書的內(nèi)容架構(gòu)，本可以效仿前人書籍（Rixom和Mailvaganam，1978；Kosmatka等，2002；Ramachandran，1995）中介紹的那樣，逐一描述目前市場上的各類外加劑，并展示、總結(jié)近些年的新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)。比如Dodson（1990）介紹的，將外加劑分為以下幾類：起分散水泥顆粒作用的外加劑、能改變水化動力學的外加劑、與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的外加劑以及只對混凝土性能起物理作用的外加劑。這些書籍的內(nèi)容生動有趣且實用，不過本書將從另外的角度來介紹。

第一篇介紹了有關(guān)硅酸鹽水泥和混凝土的基礎(chǔ)知識，這一部分可幫助讀者理解外加劑在改善新拌和硬化混凝土性能方面的重要作用。

第二篇包含了一些化學和物理方面的背景知識，可以讓讀者更好地了解什么是化學外加劑，以及其改善新拌和硬化混凝土性能的作用機制。

第三篇首先列舉了有關(guān)調(diào)控商品外加劑配方所要遵循的一般原則，之后介紹了以下四類混凝土外加劑：

�靠赏瑫r改變新拌和硬化混凝土性能的外加劑；

�扛淖冃掳杌炷�土性能的外加劑；

�扛淖冇不�混凝土性能的外加劑；

�坑糜谒�養(yǎng)混凝土的外加劑。

第四篇介紹了兩種必須使用外加劑的特種混凝土，即自密實混凝土和超高性能混凝土。

第五篇則是對外加劑的展望。

本書的最后以附錄結(jié)尾，盡管前三個附錄內(nèi)容與外加劑無關(guān)，但有助于指導(dǎo)外加劑的高效利用。另外附錄4還給出了書中使用到的術(shù)語和定義。

在從理論和實踐方面學習如何使用外加劑之前，先介紹了混凝土外加劑的發(fā)展歷史，以便讀者更好地了解和關(guān)注近年來在新拌和硬化混凝土性能方面取得的進展。

在第一篇中，第1章首先解釋了水灰比（w/c）和水膠比（w/b）的物理意義，然后對硅酸鹽水泥到底是什么以及它是如何水化的進行了闡述。之所以這么寫，是因為水灰比和水膠比的概念是了解混凝土技術(shù)的基礎(chǔ)。實際上，該比值直接影響混凝土的最終孔隙率和密度，而其他輔助性膠凝材料則是直接影響混凝土的力學性能和耐久性。因此，超塑化劑（可以在不損失工作性的前提下制備含水量較低的混凝土）為從根本上改善混凝土性能翻開了新的一頁。

第2章從兩個不同的角度考慮水化反應(yīng)：首先，從物理角度出發(fā)探究水化反應(yīng)引起的體積變化，這對理解混凝土收縮非常重要；其次，從化學的角度來描述未水化水泥顆粒在有無膠結(jié)特性的情況下演變成不同化學物質(zhì)的過程。學好水泥水化知識對于了解硅酸鹽水泥與不同輔助性膠凝材料混合時的性能以及提高混凝土在侵蝕環(huán)境中的耐久性是必不可少的。

第3章介紹了制備硅酸鹽水泥的基本原則，重點介紹其在生產(chǎn)現(xiàn)代混凝土方面的應(yīng)用，揭示了現(xiàn)有水泥的優(yōu)缺點，指出了混凝土行業(yè)為保持長期競爭力而必須面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，即盡量減少土木工程建設(shè)中產(chǎn)生的碳排放。

第4章介紹了輔助性膠凝材料和填料的主要特性。為減少混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放量，未來它們的使用量將大幅提升。在將這些填料與熟料混合時，必須認識到，用等量的填料代替一定體積的熟料并不能有效減少混凝土生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的碳排放量；同時，為了提高水泥混凝土的長期耐久性，必須降低混凝土的水膠比。

第5章著重分析了水對新拌混凝土流變性和硬化混凝土長期耐久性的影響。長期以來，水是唯一可以通過改變用量來調(diào)節(jié)混凝土流變性的組分，但目前有幾種外加劑也可以用來調(diào)節(jié)新拌混凝土的流變性。由于這類外加劑的使用，單臺泵可將混凝土垂直泵送至600m，甚至是1000m高度。為解釋分子力是如何克服重力的，本章還介紹了多孔系統(tǒng)中水分子的特性，并闡述了工程師在設(shè)計時必須考慮到的各種收縮類型的起因和發(fā)展。

第6章介紹了混凝土引氣劑的優(yōu)點。對許多工程師而言，在混凝土中引入空氣，混凝土在有無除冰鹽的情況下都可免受凍害。然而人們并沒有意識到，在混凝土中引氣劑引入的氣泡可以顯著改善混凝土流變性和長期耐久性。在第1章中，我們發(fā)現(xiàn)混凝土的耐久性本質(zhì)上與水灰比相關(guān)，而與混凝土的抗壓強度無關(guān)。與具有相同工作性但w/c更低的類似非引氣混凝土相比，抗壓強度較低的引氣混凝土耐久性更好。在自密實混凝土中通常添加引氣劑來改善其流變性。

第7章介紹了調(diào)控混凝土流變性的基本原理，這在混凝土澆筑施工中具有重要意義�；炷�土在市場中的競爭力與施工中加工、泵送和澆筑的設(shè)施有關(guān)，因為其澆筑成本直接影響混凝土構(gòu)件的最終成本。提高和控制混凝土的可泵送性是混凝土施工的關(guān)鍵因素。我們關(guān)注的重點是屈服應(yīng)力和超塑化劑，同時也闡述了其他可能因化學外加劑而變化的性質(zhì)，如塑性黏度和觸變性。

第一篇一共8章，第8章專門討論了水泥的水化機理，正如我們所知，化學外加劑對水泥正常的水化過程有顯著的正面影響，但有時也會產(chǎn)生負面影響。

第二篇重點介紹了超塑化劑。這種外加劑是目前應(yīng)用最廣泛的化學外加劑。為了從物理和化學的角度解釋外加劑的作用，我們盡可能采用更通用的方法來研究其工作機理，以便奠定更廣泛的理論基礎(chǔ)。

第9章概述了化學外加劑的化學性質(zhì)。因為這些化學性質(zhì)可以讓設(shè)計變得更加靈活，同時也給化學家們帶來更多有價值的信息。外加劑包括超塑化劑、緩凝劑、調(diào)黏劑、引氣劑和減縮劑。這一章的概述為更好地理解后續(xù)章節(jié)中介紹的外加劑的工作機理奠定了基礎(chǔ)。

第10章討論了外加劑在固�惨汉蜌猹惨航缑娴奈�附，這是許多外加劑作用機理中的關(guān)鍵一步。超塑化劑必須被吸附才能發(fā)揮其分散性能，緩凝劑（也涉及吸附，以改變無水相的溶解或水化產(chǎn)物的成核或生長）、引氣劑和減縮劑必須吸附在氣�惨航缑娌拍馨l(fā)揮作用。因此，我們試圖開發(fā)一種涵蓋理論和實驗兩方面的綜合吸附處理方法。

第11章以前幾章的介紹為基礎(chǔ)，介紹了超塑化劑的作用機理。此外，概述了水泥基體系中顆粒間作用力的性質(zhì)，這些作用力是導(dǎo)致絮凝團聚的原因。在此基礎(chǔ)上，解釋了化學外加劑是如何降低這些絮凝顆粒間作用力、降低絮凝程度、降低屈服應(yīng)力并改善工作性能的。有一節(jié)專門系統(tǒng)地介紹了聚丙烯酸酯分子結(jié)構(gòu)的改性結(jié)果。

第12章討論了超塑化劑延緩水泥水化的原因。隨著水泥熟料被越來越多的替代，這種類型的外加劑對水泥水化的延緩效果將會逐漸引起人們的關(guān)注。事實上，人們經(jīng)常采用減少用水量的方法，以彌補其早期強度較低的缺點，但這就需要增加超塑化劑的用量。然而，這會延遲和抵消（至少部分）預(yù)期效果。由于這一課題還需要大量研究，因此本書針對該課題的主要工作撰寫了評析。此外，還討論了專門用于延緩水化的緩凝劑，特別是糖類。本章節(jié)總結(jié)了最近的調(diào)研結(jié)果，并在工作機理方面給出了合理解釋。

第13章分別討論了用于控制低水灰比（<0.40）混凝土自收縮和高水灰比（>0.50）混凝土干縮的不同類型減縮劑分子的工作機理。

第14章闡述了鋼筋銹蝕的基本原理和解決這一問題的不同方法。

本書第三篇從第15章開始，討論了制定商業(yè)產(chǎn)品配方的問題。實際上，大多數(shù)商用外加劑不是由單一化合物組成的。因此，商用外加劑必須平衡許多要求。然而，大多數(shù)外加劑使用者并不清楚這一點，且在學術(shù)界常常也被誤認為是黑匣子。因此我們有必要對配方的各方面進行簡要的概述，并介紹一些商業(yè)外加劑中常用的添加劑。

第三篇后面幾章介紹了可同時改變新拌和硬化混凝土性能的幾類外加劑。

第16章介紹了超塑化劑。減水劑只是水泥顆粒的分散劑，其效率低于超塑化劑。

第17章介紹了引氣劑，此類外加劑可同時改變新拌混凝土的流變性，也可改變有或者無除冰鹽的情況下，混凝土抗凍融循環(huán)的強度與耐久性。

第18章到第21章介紹了改進新拌混凝土性能的外加劑。第18章介紹緩凝劑，第19章介紹速凝劑。這兩種外加劑均可影響水化動力學，前者延緩水化反應(yīng)，后者加速水化反應(yīng)。第20章介紹了調(diào)黏劑的應(yīng)用，這種外加劑在混凝土行業(yè)中生產(chǎn)自密實混凝土、泵送混凝土或水下混凝土時，得到了廣泛的認可。第21章介紹了防凍劑。這種外加劑目前在芬蘭、波蘭、俄羅斯和中國使用，北美沒有。同時還介紹了一個加拿大的成功應(yīng)用案例。

接下來，介紹了改善硬化混凝土性能的外加劑。

第22章介紹的是膨脹劑，用于抵消自收縮�？梢哉{(diào)節(jié)混凝土表觀體積的膨脹率，使膨脹的表觀體積約等于自收縮減小的表觀體積。第23章介紹了減縮劑。通過降低氣�惨航缑娴哪芰浚ń档蛷澰旅娴谋砻鎻埩�和接觸角），降低混凝土中不同收縮類型的影響。第24章介紹了阻銹劑。在這一章中，回顧了不同的腐蝕機理，并討論了清除該現(xiàn)象的不同方法。緩蝕劑不能補償混凝土的缺陷，但它在控制鋼筋腐蝕方面的效率隨著混凝土品質(zhì)的提高而提高。

第25章介紹了混凝土養(yǎng)護劑，給出了養(yǎng)護膜和防蒸發(fā)劑的合理用途。在高性能混凝土板或橋面板的頂面完工時，通常用一層養(yǎng)護膜覆蓋，以防止外界水滲透到混凝土內(nèi)部，從而得到適當?shù)酿B(yǎng)護。低水灰比混凝土所含的水分不足以使水泥顆粒完全水化，會迅速產(chǎn)生較明顯的自收縮。如養(yǎng)護不當，這種收縮會導(dǎo)致混凝土表面早期出現(xiàn)嚴重開裂。一種抵抗這種自收縮的方法是使用外部水對混凝土表面進行水養(yǎng)護，在新拌混凝土表面形成單分子膜的防腐蒸發(fā)劑能暫時防止或顯著延遲混凝土中的水分蒸發(fā)。當混凝土足夠堅硬時，可以用軟管直接澆水養(yǎng)護，沖走這層膜，使外部的水滲透到混凝土中。

第四篇介紹了兩種特種混凝土：

�康�26章自密實混凝土；

�康�27章超高性能混凝土。

通過使用適當劑量外加劑獲得的特種混凝土是高科技混凝土的代表。由于此類混凝土提高了建筑業(yè)的競爭力，因此其在工程中的應(yīng)用迅速增加。

第五篇（第28章）總結(jié)了R�盝�盕latt對未來外加劑的展望。

最后是本書的附錄：

�扛戒�1提供了有用的公式；

�扛戒�2提供了實驗統(tǒng)計設(shè)計；

�扛戒�3討論了混凝土質(zhì)量的統(tǒng)計評估；

�扛戒�4給出了書中使用到的術(shù)語和定義。



P.-C.Aitcin（加拿大）

R.J.Flatt（瑞士）