皮埃爾-克勞德·艾特辛（Pierre-Claude Aitcin），加拿大舍布魯克大學榮譽教授，美國混凝土協會榮譽會員。長期致力於混凝土技術工作。2013年，魁北克工程師協會OIQ（Ordre des ingénieurs du Québec）授予其"傑出成就獎"。1989年至1998年，擔任加拿大自然科學和工程研究理事會混凝土工業主席，並於1989年創立了混凝土基礎設施研究中心。在他的努力下，舍布魯克大學成為國際領先的混凝土研究中心之一。羅伯特·弗拉特（Robert J. Flatt），蘇黎世聯邦理工學院（ETH）建築材料研究所教授，Cement and Concrete Research期刊主編，瑞士國家數字制造能力研究中心副主任，ETH建築、工程和建築增強計算設計中心設計及咨詢委員會創始人、主席，ETH研究委員會成員，RILEM Technical Letters期刊副主編。在進入ETH之前，曾任西卡公司無機材料首席科學家，普林斯頓大學博士後，洛桑瑞士聯邦理工學院博士。王棟民，中國礦業大學（北京）教授，博士生導師。中國硅酸鹽學會常務理事，固廢與生態材料分會理事長。從事混凝土外加劑研究34年，主要研究方向包括：泵送劑、膨脹劑、聚羧酸減水劑等混凝土外加劑及其應用，成果豐碩。目前致力於固廢資源化與生態建材、低碳膠凝材料和水泥混凝土可持續發展的研究與應用。發表學術論文200餘篇，授權發明專利30餘項，出版學術專著（含譯著）8部。張力冉，博士，北京服裝學院材料設計與工程學院副教授。中國礦業大學（北京）博士，清華大學/深圳大學博士後，北京市青年托舉人纔，中國硅酸鹽學會固廢與生態材料分會青委會委員，北京紡織工程學會委員。長期從事混凝土外加劑綠色制備技術、生物基外加劑在堿激發材料中的應用、柔性傳感器設計及其在混凝土健康檢測中的應用等研究。在國內外學術期刊發表論文30餘篇，授權發明專利7項。黃玉美（Serina Ng），新加坡人，石家莊市長安育纔建材有限公司副總經理，"天府峨眉計劃"省級人纔，海智特聘專家，RILEM委員。慕尼黑工業大學建築化學博士，精通英、漢、日、德、挪威語五種語言。從事建材及混凝土外加劑研發15餘年，研究方向包括高效減水劑、功能小料、環保材料、混凝土技術等。曾任德國拜爾斯道夫公司、挪威科技工業研究所研發高管。發表文章和專利130餘篇，其中SCI/EI文章60多篇，授權發明專利18項。

0混凝土外加劑發展的歷史背景001

0.1早期發展001

0.2外加劑科學的發展002

0.3外加劑的使用003

0.4合成分子和聚合物的使用003

0.5復雜的人造術語003

0.6外加劑的分類005

0.7水泥顆粒分散作用的重要性006

參考文獻009





篇硅酸鹽水泥與混凝土基礎

01水灰比和水膠比的重要性012

1.1引言012

1.2水灰比的內在含義013

1.3復合水泥漿體的水灰比和水膠比014

1.3.1含有輔助性膠凝材料的復合水泥015

1.3.2含有填料的復合水泥016

1.3.3w/c和w/b的相對重要性017

1.4如何降低水灰比和水膠比017

1.5結論018

參考文獻019



02水泥的水化現像020

2.1引言020

2.2勒夏特列（Le Chatelier）實驗020

2.3Powers對水泥水化的研究021

2.3.1w/c為0.42的水泥漿體水化反應021

2.3.2w/c為0.36的水泥漿體在水中養護的水化022

2.3.3w/c為0.60的水泥漿體在水中養護的水化022

2.3.4w/c為0.3的水泥漿體的水化反應023

2.4低水灰比混凝土的養護024

2.4.1收縮的不同方式024

2.4.2根據w/c養護混凝土024

2.5結論025

參考文獻026



03硅酸鹽水泥027

3.1引言027

3.2硅酸鹽水泥熟料的礦物組成028

3.3熟料的制備030

3.4硅酸鹽水泥的化學成分032

3.5硅酸鹽水泥的粉磨034

3.5.1水泥顆粒形態的影響034

3.5.2為什麼在粉磨硅酸鹽水泥時添加硫酸鈣？035

3.6硅酸鹽水泥的水化036

3.7熟石灰（氫氧化鈣）039

3.8目前水泥驗收標準039

3.9水化反應的副作用040

3.10總結040

附錄3.1鋁酸三鈣041

附錄3.2鈣礬石044

參考文獻045



04輔助性膠凝材料和復合水泥047

4.1引言047

4.2結晶態和玻璃態048

4.3高爐礦渣050

4.4粉煤灰053

4.5硅灰055

4.6煆燒黏土057

4.7天然火山灰057

4.8其他輔助性膠凝材料058

4.9填料061

4.10磨細玻璃061

4.11復合水泥062

4.12結論062

參考文獻062



05水及其對混凝土性能的影響064

5.1引言064

5.2水在混凝土中的重要作用064

5.3水對混凝土流變性的影響065

5.4水和水泥水化066

5.5水和收縮066

5.5.1總則066

5.5.2如何消除塑性收縮的風險068

5.5.3如何緩解自收縮068

5.5.4如何提供內部水源069

5.5.5如何消除干縮070

5.6水與堿/骨料反應070

5.7某些特殊領域水的應用070

5.7.1海水070

5.7.2預拌操作中產生的廢水070

5.8結論071

參考文獻071



06混凝土中引入的空氣：流變性和抗凍性074

6.1引言074

6.2殘留氣泡與引入氣泡074

6.3引氣的作用075

6.3.1引氣對新拌混凝土工作性的影響075

6.3.2引氣對裂紋擴展的影響076

6.3.3引氣對混凝土吸水率和滲透率的影響076

6.3.4容納膨脹性水化產物076

6.3.5引氣對抗凍融循環的影響077

6.4泵送對含氣量和間距繫數的影響078

6.5復合水泥中的引氣079

6.6結論079

參考文獻080



07混凝土流變性：認識化學外加劑的基礎081

7.1引言081

7.2流變學的定義082

7.2.1剪切層流082

7.2.2剪切應力083

7.2.3剪切速率083

7.2.4流動曲線084

7.3不同的流變行為084

7.3.1牛頓流體084

7.3.2賓漢姆流體085

7.3.3具有屈服應力的剪切變稀和剪切增稠流體086

7.4懸浮液的微觀力學行為086

7.4.1屈服應力087

7.4.2黏度087

7.4.3觸變性088

7.4.4混凝土：一種黏彈塑性材料089

7.4.5泌水與離析090

7.5影響混凝土流變性的因素091

7.5.1總則091

7.5.2加工能量對混凝土流變性的影響091

7.5.3固相濃度對黏度和屈服應力的影響091

7.5.4水泥漿體/骨料比和砂漿/骨料比對混凝土流變性的影響092

7.5.5漿體成分的影響093

7.5.6含氣量對混凝土流變性的影響095

7.6混凝土的觸變性095

7.6.1觸變性對混凝土施工的影響095

7.6.2量化觸變性的實驗方法095

7.7結論098

參考文獻099



08水泥水化機理104

8.1引言104

8.2C3A的水化104

8.3阿利特的水化106

8.3.1阿利特水化化學和水化階段106

8.3.2階段0和階段Ⅰ：初始溶解106

8.3.3階段Ⅱ：誘導期108

8.3.4階段Ⅲ：加速期109

8.4普通硅酸鹽水泥的水化111

8.4.1水泥水化階段111

8.4.2硅酸鹽鋁酸鹽硫酸鹽平衡112

8.5結論113

參考文獻114





第二篇外加劑化學與工作機制

09化學外加劑的化學性質120

9.1引言120

9.2減水劑和超塑化劑120

9.2.1簡介120

9.2.2天然聚合物121

9.2.3線形合成聚合物124

9.2.4梳形共聚物129

9.3緩凝劑135

9.3.1簡介135

9.3.2碳水化合物136

9.4調黏劑138

9.4.1簡介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無機粉體142

9.5引氣劑142

9.5.1簡介142

9.5.2表面活性劑的通性143

9.5.3引氣混合物的來源145

9.5.4陰離子表面活性劑146

9.5.5陽離子表面活性劑149

9.5.6兩性表面活性劑150

9.5.7非離子表面活性劑151

9.6減縮劑153

9.6.1簡介153

9.6.2SRA的歷史和工作機制153

9.6.3用作SRA的表面活性劑的通性和概述153

9.6.4SRA中使用的化合物的類別155

9.7結論160

參考文獻160



10化學外加劑的吸附170

10.1引言170

10.2吸附和流動度171

10.2.1初始流動度171

10.2.2流動度保持171

10.3吸附等溫線171

10.3.1吸附基礎現像學171

10.3.2簡單吸附等溫模型172

10.3.3超塑化劑吸附等溫線的線性區173

10.3.4水泥基體繫吸附的具體問題175

10.4分子結構與吸附175

10.4.1通性175

10.4.2超塑化劑的吸附176

10.4.3表面活性劑在固液界面的吸附178

10.5表面與溶液之間的動態交換180

10.5.1吸附的可逆性180

10.5.2競爭吸附181

10.6消耗（無效吸附）182

10.6.1沉澱182

10.6.2有機鋁酸鹽182

10.6.3比表面積的變化184

10.6.4黏土礦物吸附184

10.7表面活性劑在氣液界面的吸附185

10.7.1表面活性劑吸附和形成膠束的驅動力185

10.7.2表面活性劑在氣液界面的吸附186

10.8吸附測試的實驗問題187

10.8.1懸浮液制備187

10.8.2液相分離189

10.8.3提取後的液相穩定190

10.8.4液相分析190

10.8.5利用zeta電位間接測定吸附量191

10.8.6比表面積的測試191

10.9結論192

參考文獻192



11減水劑與超塑化劑的作用機理200

11.1引言200

11.2色散力200

11.3靜電力201

11.4DLVO理論204

11.5空間位阻力208

11.6超塑化劑的作用209

11.6.1靜電斥力作用209

11.6.2空間位阻作用210

11.6.3聚羧酸分子結構的具體作用212

11.7結論214

參考文獻215



12化學外加劑對水泥水化的影響218

12.1引言218

12.2緩凝機理220

12.2.1溶液中鈣離子的絡合220

12.2.2抑制無水礦相的溶解220

12.2.3抑制水化產物成核和生長221

12.2.4擾動硅酸鹽鋁酸鹽硫酸鹽平衡223

12.3超塑化劑的緩凝作用225

12.3.1PCE超塑化劑分子結構的作用225

12.3.2化學組成的作用226

12.4糖的緩凝作用227

12.4.1綜述227

12.4.2研究概況227

12.4.3分子結構的作用228

12.4.4絡合和穩定性的作用231

12.4.5吸附的作用232

12.4.6其他問題233

12.5結論234

參考文獻234



13減縮劑的作用機理240

13.1引言240

13.2膠凝體繫收縮的基本原理241

13.2.1毛細管壓力理論241

13.2.2分離壓理論242

13.2.3收縮的熱力學框架243

13.3SRA對干縮的影響244

13.3.1宏觀變化245

13.3.2減縮的作用機理247

13.4SRA對干燥收縮的摻量響應248

13.5結論249

參考文獻250



14鋼筋混凝土的阻鏽劑253

14.1引言253

14.2混凝土中鋼筋的鏽蝕機理254

14.2.1初始階段254

14.2.2擴散階段256

14.3混凝土中鋼筋的阻鏽劑256

14.3.1機理257

14.3.2摻入阻鏽劑的實驗室研究257

14.3.3有機阻鏽劑混合物的作用262

14.4阻鏽劑的臨界評價263

14.4.1阻鏽劑測試263

14.4.2濃度依賴性263

14.4.3阻鏽劑作用的測量和控制264

14.5結論264

參考文獻264





第三篇外加劑技術

15商業產品配方270

15.1引言270

15.2性能目標270

15.2.1坍落度保持271

15.2.2環境條件271

15.2.3凝結和硬化控制271

15.2.4消泡劑272

15.2.5輔助表面活性劑和水溶性化合物272

15.2.6抗菌劑272

15.3成本問題273

15.4結論273

參考文獻274



16超塑化劑276

16.1引言276

16.2超塑化劑的應用基礎276

16.2.1超塑化劑的主要類型276

16.2.2超塑化劑分散的實際效用277

16.2.3膠凝體繫中超塑化劑的流變試驗277

16.3超塑化劑對流變性的影響279

16.3.1屈服應力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流動性保持282

16.3.6延遲流化283

16.4意外或不期望行為284

16.4.1基本情況284

16.4.2標準實驗不足以鋻別不相容性284

16.4.3混凝土中水泥/超塑化劑的魯棒性285

16.4.4水泥組分的作用285

16.4.5超塑化劑的作用288

16.4.6與其他外加劑的相互作用290

16.5結論291

參考文獻291



17引氣劑297

17.1引言297

17.2引氣機理297

17.3氣泡網絡的主要特征298

17.4氣泡網絡的形成299

17.4.1配方參數的影響300

17.4.2拌合工藝參數的影響303

17.5氣泡網絡的穩定性304

17.5.1新拌混凝土運輸的影響304

17.5.2振搗和泵送的影響304

17.6結論305

參考文獻305



18緩凝劑308

18.1引言308

18.2冷卻混凝土以延緩凝結308

18.3緩凝劑的使用310

18.3.1用於延緩混凝土凝結的不同化學品310

18.3.2北美不同的緩凝劑標準化310

18.3.3糖作為緩凝劑310

18.3.4摻量311

18.4添加時間312

18.5一些過度緩凝的案例312

18.5.1拆模後預制板開裂312

18.5.2一個特別勤奮的集裝卡車司機313

18.5.3緩凝劑的意外過量313

18.5.4海上平臺的重力基座滑模施工314

18.6結論315

參考文獻315



19速凝劑316

19.1引言316

19.2加速混凝土硬化的方法316

19.2.1使用高強度水泥316

19.2.2降低w/c或w/b317

19.2.3加熱混凝土317

19.2.4隔熱措施317

19.2.5使用速凝劑318

19.3不同類型的速凝劑318

19.4CaCl2速凝劑318

19.4.1作用機理319

19.4.2添加方式320

19.4.3CaCl2使用規則320

19.5噴射混凝土速凝劑320

19.6結論321

參考文獻322



20調黏劑323

20.1引言323

20.2調黏劑的性能323

20.2.1調黏劑的作用機理323

20.2.2調黏劑對膠凝體繫流變性的影響324

20.2.3超塑化劑存在下調黏劑的性能325

20.3保水劑的作用機理328

20.4調黏劑聚合物對水泥水化的影響331

20.5調黏劑用於自密實混凝土配制334

20.6結論335

參考文獻335



21防凍劑338

21.1引言338

21.2北美鼕季混凝土的澆築338

21.3防凍劑338

21.4加拿大北部高壓輸電線路的建設339

21.5亞硝酸鈣在納尼西維克的應用339

21.6結論342

參考文獻342



22膨脹劑343

22.1引言343

22.2原理343

22.3膨脹機制345

22.3.1因鈣礬石的形成而膨脹345

22.3.2因氫氧化鈣的形成而膨脹346

22.4自由膨脹和限制膨脹的測量347

22.4.1自由膨脹347

22.4.2限制膨脹347

22.5影響膨脹的因素349

22.5.1膨脹劑摻量349

22.5.2養護條件349

22.5.3溫度350

22.5.4試驗方法：限制膨脹與自由膨脹351

22.6摻加膨脹劑的混凝土的現場應用352

22.6.1橋面352

22.6.2地面平板353

22.6.3黏結混凝土的覆蓋層353

22.7結論353

參考文獻354



23減縮劑355

23.1引言355

23.2用作減縮劑的主要分子355

23.3典型摻量356

23.4減縮劑使用的實驗室研究356

23.4.1自收縮356

23.4.2干燥收縮357

23.4.3減縮劑與膨脹劑結合使用359

23.4.4減縮劑對含氣量的影響359

23.4.5抗凍融性360

23.5現場應用362

23.6結論363

參考文獻363



24阻鏽劑365

24.1引言365

24.2氯離子對鋼筋的影響366

24.3加強鋼筋的防腐保護367

24.3.1采用低水灰比或水膠比混凝土367

24.3.2陰極保護367

24.3.3阻鏽劑367

24.4減緩鋼筋的鏽蝕368

24.4.1環氧塗覆鋼筋368

24.4.2不鏽鋼鋼筋368

24.4.3鍍鋅鋼筋369

24.5消除鋼筋鏽蝕369

24.6結論371

參考文獻371



25養護劑373

25.1引言373

25.2根據水灰比養護混凝土373

25.3水灰比大於規定臨界值0.42的混凝土養護374

25.4水灰比小於規定臨界值0.42的混凝土養護374

25.4.1外養護374

25.4.2內養護375

25.4.3養護混凝土柱375

25.5在現場實施適當的養護措施375

25.6結論375

參考文獻376





第四篇特種混凝土

26自密實混凝土378

26.1引言378

26.2自密實混凝土配比378

26.3品質控制381

26.4新拌性能383

26.4.1塑性收縮383

26.4.2泵送383

26.5硬化特性383

26.6案例研究383

26.6.1日本大阪Senboku液化天然氣二號接收站383

26.6.2舍布魯克大學結構實驗室反力牆385

26.7向承包商銷售自密實混凝土385

26.8結論386

參考文獻387



27超高性能混凝土389

27.1引言389

27.2超高性能混凝土的實現要素390

27.2.1增加超高性能混凝土的勻質性390

27.2.2增加堆積密度391

27.2.3通過熱處理改善微觀結構391

27.2.4提高超高強度混凝土的韌性391

27.2.5提高不同粉末的堆積密度391

27.2.6用硬質夾雜物增強水泥漿體393

27.3如何制備超高性能混凝土393

27.3.1用於制備UHSC的水泥特性393

27.3.2超塑化劑的選擇393

27.4舍布魯克步行自行車道的建設394

27.4.1設計394

27.4.2建造395

27.5測試建築物的結構性能398

27.6長期性能398

27.7超高性能混凝土的應用399

27.7.1東京羽田機場的擴建399

27.7.2馬賽市的地中海文明博物館402

27.7.3巴黎路易威登基金會大樓402

27.8結論404

參考文獻404





第五篇總結與展望

28混凝土外加劑的結論和展望408

28.1混凝土中的外加劑——烹飪中的調味品408

28.2混凝土的優劣409

28.3環境挑戰409

28.4化學外加劑科學409

參考文獻410





附錄1有用的公式和一些應用411



附錄2實驗統計設計426



附錄3混凝土質量的統計評估437



附錄4術語和定義451





致謝454

譯者前言

混凝土外加劑是現代混凝土的第五組分，也是重要的一種組分。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用，略晚於一些西方發達國家，但是發展很快，在一代羧酸減水劑的研究和應用方面已經與國際上並駕齊驅、各有千秋了。我國混凝土外加劑的發展與應用也是經歷了以木質素減水劑為代表的代產品、以萘繫減水劑為代表的第二代產品和以聚羧酸減水劑為代表的第三代產品這幾個重要階段。

在混凝土外加劑發展歷程中，我國老一輩科技工作者以及後來的中青年學者先後撰寫出版了不少經典的混凝土外加劑著作，這些著作的出版對於我國外加劑和混凝土行業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用手冊》一書，介紹混凝土外加劑的品種、主要組分、性能與應用，是典型的應用導向型圖書，很適合土木工程師和混凝土生產與應用的技術人員學習參考；另一本影響中國混凝土外加劑行業比較大的是陳建奎教授所著的《混凝土外加劑原理與應用》一書，該書是一位洞悉混凝土技術的化學教授在外加劑的長期潛心研究和科研實踐基礎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，是一本學術導向型圖書，對我國外加劑科研和應用起到了很好的理論指導作用。另外尚有石人俊、張冠倫、張雲理、盧璋、陳嫣兮、遊寶坤、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。如何將外加劑的創新研究與混凝土科學理論緊密結合，特別是形成繫統的總結認識，國內外學者尚需繼續努力。

由加拿大Atcin和瑞士Flatt編著的《混凝土外加劑科學與技術》一書彌補了如上一些不足，呈現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域的專家：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，對於混凝土有極深的研究與哲學層級的思考；Flatt是國際的外加劑專家，曾供職於瑞士西卡公司，繫該公司首席科學家，對於混凝土外加劑有深入的一線研究，並長期把握和引領行業發展方向，後供職於瑞士蘇黎世聯邦理工學院建築材料研究所，並兼任國際期刊Cement and Concrete Research主編。本書的特點是把混凝土與外加劑充分而緊密地結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構和作用功效，從外加劑的結構來看如何更好地服務於混凝土。二位大師的密切結合奠定和創造了本書的獨到特質和呈現效果。

本書篇開章從水灰比（水膠比）切入，深刻分析了強度、微結構與水膠比的內在關繫；從物理學角度探討了水泥水化現像與收縮的關繫；介紹了硅酸鹽水泥、輔助性膠凝材料和復合水泥；闡述了水的重要作用及其對於混凝土性能的影響；論證了混凝土中引氣對於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，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，提出混凝土對於外加劑的重大需求。

第二篇重點介紹和闡述外加劑化學與工作機制。首先從分子結構角度闡述有機和高分子化學外加劑（包括超塑化劑、緩凝劑、調黏劑、引氣劑和減縮劑等）的設計和性能，這是特別重要的；然後討論了外加劑在固液和氣液界面的吸附；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；討論了用於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；闡述了鋼筋鏽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規律，側重於理論和學術問題的研究與解決。

第三篇先討論了制定商業產品配方的一般原則（第15章），然後分類介紹了不同品種外加劑及其性能和應用。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、調黏劑、防凍劑、膨脹劑、減縮劑、阻鏽劑、養護劑。

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，中國礦業大學（北京）混凝土與環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、邬兆傑、薄艾、焦澤坤、武逸群等參加了全書的翻譯和校對。對以上同學的傑出工作表示深深的謝意！希望並相信本書中文版的出版對於中國混凝土外加劑和混凝土行業有良好的促進作用，使我國外加劑研究與應用的整體水平再上新臺階。

本書原著作者對於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同行的高度關注，中國工程院院士、東南大學教授繆昌文先生，中國建築材料聯合會混凝土外加劑分會秘書長、中國建築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，並熱情向國內讀者推薦。

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

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

限於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

現如今，混凝土外加劑已成為當代混凝土必不可少的關鍵組分。關於本書的內容架構，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，並展示、總結近些年的新發現和新技術。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、與水化產物發生反應的外加劑以及隻對混凝土性能起物理作用的外加劑。這些書籍的內容生動有趣且實用，不過本書將從另外的角度來介紹。

篇介紹了有關硅酸鹽水泥和混凝土的基礎知識，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麼是化學外加劑，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調控商品外加劑配方所要遵循的一般原則，之後介紹了以下四類混凝土外加劑：

可同時改變新拌和硬化混凝土性能的外加劑；

改變新拌混凝土性能的外加劑；

改變硬化混凝土性能的外加劑；

用於水養混凝土的外加劑。

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。

本書的後以附錄結尾，盡管前三個附錄內容與外加劑無關，但有助於指導外加劑的高效利用。另外附錄4還給出了書中使用到的術語和定義。

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展歷史，以便讀者更好地了解和關注近年來在新拌和硬化混凝土性能方面取得的進展。

在篇中，第1章首先解釋了水灰比（w/c）和水膠比（w/b）的物理意義，然後對硅酸鹽水泥到底是什麼以及它是如何水化的進行了闡述。之所以這麼寫，是因為水灰比和水膠比的概念是了解混凝土技術的基礎。實際上，該比值直接影響混凝土的終孔隙率和密度，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：首先，從物理角度出發探究水化反應引起的體積變化，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特性的情況下演變成不同化學物質的過程。學好水泥水化知識對於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，重點介紹其在生產現代混凝土方面的應用，揭示了現有水泥的優缺點，指出了混凝土行業為保持長期競爭力而必須面對的技術挑戰，即盡量減少土木工程建設中產生的碳排放。

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並不能有效減少混凝土生產過程中所產生的碳排放量；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，水是可以通過改變用量來調節混凝土流變性的組分，但目前有幾種外加劑也可以用來調節新拌混凝土的流變性。由於這類外加劑的使用，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，本章還介紹了多孔繫統中水分子的特性，並闡述了工程師在設計時必須考慮到的各種收縮類型的起因和發展。

第6章介紹了混凝土引氣劑的優點。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。然而人們並沒有意識到，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，我們發現混凝土的耐久性本質上與水灰比相關，而與混凝土的抗壓強度無關。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章介紹了調控混凝土流變性的基本原理，這在混凝土澆築施工中具有重要意義。混凝土在市場中的競爭力與施工中加工、泵送和澆築的設施有關，因為其澆築成本直接影響混凝土構件的終成本。提高和控制混凝土的可泵送性是混凝土施工的關鍵因素。我們關注的重點是屈服應力和超塑化劑，同時也闡述了其他可能因化學外加劑而變化的性質，如塑性黏度和觸變性。

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用廣泛的化學外加劑。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。

第9章概述了化學外加劑的化學性質。因為這些化學性質可以讓設計變得更加靈活，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、調黏劑、引氣劑和減縮劑。這一章的概述為更好地理解後續章節中介紹的外加劑的工作機理奠定了基礎。

第10章討論了外加劑在固液和氣液界面的吸附，這是許多外加劑作用機理中的關鍵一步。超塑化劑必須被吸附纔能發揮其分散性能，緩凝劑（也涉及吸附，以改變無水相的溶解或水化產物的成核或生長）、引氣劑和減縮劑必須吸附在氣液界面纔能發揮作用。因此，我們試圖開發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，介紹了超塑化劑的作用機理。此外，概述了水泥基體繫中顆粒間作用力的性質，這些作用力是導致絮凝團聚的原因。在此基礎上，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、降低屈服應力並改善工作性能的。有一節專門繫統地介紹了聚丙烯酸酯分子結構的改性結果。

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注。事實上，人們經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）預期效果。由於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，還討論了專門用於延緩水化的緩凝劑，特別是糖類。本章節總結了近的調研結果，並在工作機理方面給出了合理解釋。

第13章分別討論了用於控制低水灰比（<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章闡述了鋼筋鏽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，討論了制定商業產品配方的問題。實際上，大多數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，大多數外加劑使用者並不清楚這一點，且在學術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，並介紹一些商業外加劑中常用的添加劑。

第三篇後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。減水劑隻是水泥顆粒的分散劑，其效率低於超塑化劑。

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，後者加速水化反應。第20章介紹了調黏劑的應用，這種外加劑在混凝土行業中生產自密實混凝土、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，用於抵消自收縮。可以調節混凝土表觀體積的膨脹率，使膨脹的表觀體積約等於自收縮減小的表觀體積。第23章介紹了減縮劑。通過降低氣液界面的能量（降低彎月面的表面張力和接觸角），降低混凝土中不同收縮類型的影響。第24章介紹了阻鏽劑。在這一章中，回顧了不同的腐蝕機理，並討論了清除該現像的不同方法。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的提高而提高。

第25章介紹了混凝土養護劑，給出了養護膜和防蒸發劑的合理用途。在高性能混凝土板或橋面板的頂面完工時，通常用一層養護膜覆蓋，以防止外界水滲透到混凝土內部，從而得到適當的養護。低水灰比混凝土所含的水分不足以使水泥顆粒完全水化，會迅速產生較明顯的自收縮。如養護不當，這種收縮會導致混凝土表面早期出現嚴重開裂。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護，在新拌混凝土表面形成單分子膜的防腐蒸發劑能暫時防止或顯著延遲混凝土中的水分蒸發。當混凝土足夠堅硬時，可以用軟管直接澆水養護，衝走這層膜，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：

第26章自密實混凝土；

第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。由於此類混凝土提高了建築業的競爭力，因此其在工程中的應用迅速增加。

第五篇（第28章）總結了RJFlatt對未來外加劑的展望。

後是本書的附錄：

附錄1提供了有用的公式；

附錄2提供了實驗統計設計；

附錄3討論了混凝土質量的統計評估；

附錄4給出了書中使用到的術語和定義。



P.-C.Aitcin（加拿大）

R.J.Flatt（瑞士）