混凝土外加劑是指為改善和調節混凝土的性能而摻加的物質，由于能有效地改善混凝土的性能，而且具有良好的經濟效益，近年來在許多國家都得到廣泛應用，成為混凝土中不可或缺的材料。

       除了改善混凝土的性能，外加劑還為固廢資源化利用提供了支撐。為進一步推動固廢資源化利用技術的發展，促進固廢領域的產學研融合，近日，在由中國硅酸鹽學會固廢與生態材料分會主辦，《中國建材報》社、中國建設科技出版社聯合主辦，中國硅酸鹽學會固廢與生態材料分會副秘書長于立安主持的第十五期“固廢利用鏘鏘四人行”交流活動上，多位專家圍繞“混凝土外加劑的高效合成與應用”展開交流，在進一步推動固廢資源化利用發展的同時，加速了混凝土外加劑在固廢資源化利用領域的推廣應用。

       “小”外加劑發揮著“大”作用

       清華大學土木工程系建筑材料研究所所長孔祥明曾就職于德國BASF全球研發中心，研究領域為水泥混凝土科學、高分子建筑材料、有機-無機復合材料。近年來，他一直專注于水泥水化、水泥基材料流變學、外加劑與水泥相互作用研究，發表期刊論文150余篇，其中SCI文章70余篇，授權發明專利30項。

       在交流活動中，孔祥明指出，外加劑包括減水劑、速凝劑、水泥水化調控外加劑、力學性能改善的添加劑、收縮開裂控制外加劑，乃至耐久性提升的外加劑。他建議，水泥混凝土和高分子添加劑這個小領域，需要大量具有“多學科背景”“善于知識融合”的有志青年加入進來。

       同濟大學材料學院副教授盧子臣2021年入選上海市“海外高層次人才引進計劃”，研究工作主要為混凝土外加劑作用下水泥水化機理與早期性能調控，研究方向包括新型混凝土外加劑，水泥基材料水化與流變，水泥基材料早期性能調控等。作為一名一直專注于外加劑相關研究工作者，盧子臣表示，混凝土外加劑使用量雖然少，不超過5%，但是卻可以極大地改變混凝土的各種早期性質，是目前混凝土配合比中必不可缺的第五大組成材料。若想實現對水泥混凝土不同性能的主動調控，最經濟的辦法就是通過使用化學外加劑進行改善。

       石家莊市長安育才建材有限公司副總經理黃玉美在歐美有十幾年的工業化學經驗，其中擔任過挪威SINTEF的混凝土外加劑高級工程師，也在德國Beiersdorf AG進行過以二氧化碳為原材料的新產品研發。在談到混凝土外加劑的發展時，黃玉美指出，要設計好外加劑就需要對混凝土原材料進行更多了解，水泥一個看似簡單的材料其實組成成分有100多種結晶體在里面。

持續創新是行業發展的前提

       減水劑是一種在維持混凝土坍落度基本不變的條件下，能減少拌合用水量的混凝土外加劑。作為外加劑重要組成部分，它從20世紀30年代研發出來后，近100年間其品類與技術得到了飛速的發展，從第一代木質素磺酸鹽的普通減水劑（正常摻量0.3%左右，減水率5%～15%），到以萘系磺酸鹽、三聚氰胺甲醛縮合物為代表的第二代高效減水劑（摻量0.5%～1.0%，減水率15%～25%），以及以聚羧酸減水劑(PCE)為代表的高性能減水劑（摻量0.2%左右，減水率25%～40%），它的發展對外加劑行業起著重要的作用。

目前，PCE在不同工程場景取得了較好成績，但仍然需要繼續研究。對此，孔祥明指出， PCE的主要功能就是減水、調控混凝土工作性。以下幾個方面的不斷變化，將會對PCE產業持續影響。一是砂石骨料不斷變化。從天然砂到機制砂，再到海工珊瑚巖、沙漠砂各種骨料原材料，都對PCE提出不同要求。二是拌合水。三是膠凝材料的變化。各種礦物摻合料，粉煤灰、礦渣、硅灰、石灰石粉，本身卻會對混凝土工作性產生各種影響。四是施工環境的變化。比如高溫施工環境，比如據說現在的川藏線隧道中溫度可以高達50攝氏度，如油田固井環境，固井水泥漿面對的溫度可能高達200攝氏度，這些場景下，都對PCE提出不同的要求。

       而在工程應用中，功能型減水劑近年來也越來越受到人們的重視，如抗泥型減水劑與降粘型減水劑。對此，黃玉美結合工程實踐指出，抗泥、降粘是非常重要的一個環節，施工上一定要解決這一棘手問題，尤其是在當下混凝土“好”的原材料越來越短缺的情況下。

在低碳膠凝材料發展中發揮著重要作用

       當前，在“雙碳”背景下，各種低碳膠凝材料飛速發展，比如硫鋁酸鹽水泥、煅燒黏度水泥、堿激發材料等，在這低碳膠凝體系的發展過程中，減水劑在其中的應用效果也不容忽視。

孔祥明指出，堿激發材料有很長的研究歷史，由于其可以大量利用工業固廢，并且避免了石灰石煅燒過程中由于石灰石分解和礦物燃料燃燒的碳排放，因此可以認為是一種低碳綠色的膠凝材料體系。不論是叫堿激發材料，還是低聚物材料，它都是用堿激發富含硅鋁質的礦物，使其產生足夠的強度。未來要想實現堿激發材料的大量應用，一個重要問題是其堿激發適配外加劑的開發。目前，我們都是把在硅酸鹽中使用效果比較好的外加劑直接用于堿激發體系，測試其使用效果。但客觀說，由于堿激發體系具有與硅酸鹽水泥不同的水化反應過程，顯然把硅酸鹽水泥中適配的減水劑直接應用到堿激發體系，是不能很好地滿足工作性能要求的。

       盧子臣則認為，隨著混凝土原材料、施工環境、施工場景等具體問題的不斷改變，對混凝土外加劑提出了更多挑戰，如各種新型低碳膠凝材料適配外加劑、高嚴寒高海拔施工、工業固廢再利用適配外加劑等。此外，由于水泥基膠凝材料的復雜性，需要研究的不僅僅是某個單一外加劑，而是多類型外加劑的協同作用，這就需要從不同體系外加劑的開發，深入到其作用效果、作用機理等進行研究，所以說挑戰非常艱巨。

       從工程角度來講，黃玉美指出，中國在固廢利用方面十分領先，但混凝土行業有點難做，效果還是需要進一步提高。尤其在欠缺好的混凝土原材料的情況下施工，要想達到高強度混凝土效果，必須根據配合比的設計，給出適合的減水劑組合，在這個過程中沒有聚羧酸減水劑的發明是不可能實現的。

       “固廢利用鏘鏘四人行”系列線上交流活動，截至目前已經成功舉辦十五期。第十六期將于5月19日繼續圍繞“結構材料與房屋建筑結構的安全”主題，邀請專家學者和企業家共同進行研討，以期為科學合理、高效地處置結構材料與房屋建筑結構的安全問題，并就相關工程試點應用進行討論，為固廢的進一步資源化利用提供支撐。

中國建材報記者：吳 躍