混凝土外加剂是指为改善和调节混凝土的性能而掺加的物质，由于能有效地改善混凝土的性能，而且具有良好的经济效益，近年来在许多国家都得到广泛应用，成为混凝土中不可或缺的材料。除了改善混凝土的性能，外加剂还为固废资源化利用提供了支撑。为进一步推动固废资源化利用技术的发展，促进固废领域的产学研融合，近日，在由中国硅酸盐学会固废与生态材料分会主办，《中国建材报》社、中国建设科技出版社联合主办，中国硅酸盐学会固废与生态材料分会副秘书长于立安主持的第十五期“固废利用锵锵四人行”交流活动上，多位专家围绕“混凝土外加剂的高效合成与应用”展开交流，在进一步推动固废资源化利用发展的同时，加速了混凝土外加剂在固废资源化利用领域的推广应用。“小”外加剂发挥着“大”作用清华大学土木工程系建筑材料研究所所长孔祥明曾就职于德国BASF全球研发中心，研究领域为水泥混凝土科学、高分子建筑材料、有机-无机复合材料。近年来，他一直专注于水泥水化、水泥基材料流变学、外加剂与水泥相互作用研究，发表期刊论文150余篇，其中SCI文章70余篇，授权发明专利30项。在交流活动中，孔祥明指出，外加剂包括减水剂、速凝剂、水泥水化调控外加剂、力学性能改善的添加剂、收缩开裂控制外加剂，乃至耐久性提升的外加剂。他建议，水泥混凝土和高分子添加剂这个小领域，需要大量具有“多学科背景”“善于知识融合”的有志青年加入进来。同济大学材料学院副教授卢子臣2021年入选上海市“海外高层次人才引进计划”，研究工作主要为混凝土外加剂作用下水泥水化机理与早期性能调控，研究方向包括新型混凝土外加剂，水泥基材料水化与流变，水泥基材料早期性能调控等。作为一名一直专注于外加剂相关研究工作者，卢子臣表示，混凝土外加剂使用量虽然少，不超过5%，但是却可以极大地改变混凝土的各种早期性质，是目前混凝土配合比中必不可缺的第五大组成材料。若想实现对水泥混凝土不同性能的主动调控，最经济的办法就是通过使用化学外加剂进行改善。石家庄市长安育才建材有限公司副总经理黄玉美在欧美有十几年的工业化学经验，其中担任过挪威SINTEF的混凝土外加剂高级工程师，也在德国Beiersdorf AG进行过以二氧化碳为原材料的新产品研发。在谈到混凝土外加剂的发展时，黄玉美指出，要设计好外加剂就需要对混凝土原材料进行更多了解，水泥一个看似简单的材料其实组成成分有100多种结晶体在里面。持续创新是行业发展的前提减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂。作为外加剂重要组成部分，它从20世纪30年代研发出来后，近100年间其品类与技术得到了飞速的发展，从第一代木质素磺酸盐的普通减水剂（正常掺量0.3%左右，减水率5%～15%），到以萘系磺酸盐、三聚氰胺甲醛缩合物为代表的第二代高效减水剂（掺量0.5%～1.0%，减水率15%～25%），以及以聚羧酸减水剂(PCE)为代表的高性能减水剂（掺量0.2%左右，减水率25%～40%），它的发展对外加剂行业起着重要的作用。目前，PCE在不同工程场景取得了较好成绩，但仍然需要继续研究。对此，孔祥明指出， PCE的主要功能就是减水、调控混凝土工作性。以下几个方面的不断变化，将会对PCE产业持续影响。一是砂石骨料不断变化。从天然砂到机制砂，再到海工珊瑚岩、沙漠砂各种骨料原材料，都对PCE提出不同要求。二是拌合水。三是胶凝材料的变化。各种矿物掺合料，粉煤灰、矿渣、硅灰、石灰石粉，本身却会对混凝土工作性产生各种影响。四是施工环境的变化。比如高温施工环境，比如据说现在的川藏线隧道中温度可以高达50摄氏度，如油田固井环境，固井水泥浆面对的温度可能高达200摄氏度，这些场景下，都对PCE提出不同的要求。而在工程应用中，功能型减水剂近年来也越来越受到人们的重视，如抗泥型减水剂与降粘型减水剂。对此，黄玉美结合工程实践指出，抗泥、降粘是非常重要的一个环节，施工上一定要解决这一棘手问题，尤其是在当下混凝土“好”的原材料越来越短缺的情况下。在低碳胶凝材料发展中发挥着重要作用当前，在“双碳”背景下，各种低碳胶凝材料飞速发展，比如硫铝酸盐水泥、煅烧黏度水泥、碱激发材料等，在这低碳胶凝体系的发展过程中，减水剂在其中的应用效果也不容忽视。孔祥明指出，碱激发材料有很长的研究历史，由于其可以大量利用工业固废，并且避免了石灰石煅烧过程中由于石灰石分解和矿物燃料燃烧的碳排放，因此可以认为是一种低碳绿色的胶凝材料体系。不论是叫碱激发材料，还是低聚物材料，它都是用碱激发富含硅铝质的矿物，使其产生足够的强度。未来要想实现碱激发材料的大量应用，一个重要问题是其碱激发适配外加剂的开发。目前，我们都是把在硅酸盐中使用效果比较好的外加剂直接用于碱激发体系，测试其使用效果。但客观说，由于碱激发体系具有与硅酸盐水泥不同的水化反应过程，显然把硅酸盐水泥中适配的减水剂直接应用到碱激发体系，是不能很好地满足工作性能要求的。卢子臣则认为，随着混凝土原材料、施工环境、施工场景等具体问题的不断改变，对混凝土外加剂提出了更多挑战，如各种新型低碳胶凝材料适配外加剂、高严寒高海拔施工、工业固废再利用适配外加剂等。此外，由于水泥基胶凝材料的复杂性，需要研究的不仅仅是某个单一外加剂，而是多类型外加剂的协同作用，这就需要从不同体系外加剂的开发，深入到其作用效果、作用机理等进行研究，所以说挑战非常艰巨。从工程角度来讲，黄玉美指出，中国在固废利用方面十分领先，但混凝土行业有点难做，效果还是需要进一步提高。尤其在欠缺好的混凝土原材料的情况下施工，要想达到高强度混凝土效果，必须根据配合比的设计，给出适合的减水剂组合，在这个过程中没有聚羧酸减水剂的发明是不可能实现的。“固废利用锵锵四人行”系列线上交流活动，截至目前已经成功举办十五期。第十六期将于5月19日继续围绕“结构材料与房屋建筑结构的安全”主题，邀请专家学者和企业家共同进行研讨，以期为科学合理、高效地处置结构材料与房屋建筑结构的安全问题，并就相关工程试点应用进行讨论，为固废的进一步资源化利用提供支撑。中国建材报记者：吴 跃

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