混凝土膨胀剂作用

混凝土膨胀剂用来配制膨胀混凝土（包括补偿收缩混凝土和自应力混凝土），补偿收缩混凝土具有补偿混凝土干缩和密实混凝土、提高混凝土抗渗性作用，在土木工程中主要用于防水和抗裂两个方面，现在使用较多的场合是配制高等级防水混凝土和适当延长伸缩缝或后浇带间距。

混凝土膨胀剂的研究进展

摘要:根据水泥的水化机理,分析了混凝土结构开裂的

原因。从膨胀剂的选择、施工、掺量和限制膨胀率等方面,对混凝土膨胀剂在使用中应注意的问题进行了研究与探讨。

关键词:混凝土膨胀剂;结构开裂;裂缝控制;限制膨胀

率

引言

如何控制和防止有害裂缝的产生是混凝土耐久性研究

中一个最棘手的问题。造成混凝土开裂的原因很多,采取的措施也各不相同。大量的研究和应用实践表明,掺加膨胀剂以形成补偿收缩是抑制早期收缩裂缝最方便、最经济和最有效的措施。本文从膨胀剂的选择、施工、掺量和限制膨胀率等方面,对混凝土膨胀剂在使用中应注意的问题进行了研究与探讨。

1 混凝土结构开裂的原因分析

水泥在水化过程中,由于化学反应和热力学反应所引起的体积收缩,将会导致混凝土结构产生收缩开裂,这是混凝

土材料的致命缺点。特别是在防水工程如地下、水工、海工、地铁、隧道、水电、超长钢筋混凝土结构工程以及二次灌注工程中产生结构开裂,将会造成严重的质量缺陷。导致混凝土结构开裂的主要原因有以下两种[2]:

(1)水泥加水后变成水泥硬化体,其绝对体积减小。研究表明,每100g水泥中掺加33ml水,水化后的化学减缩值为7～9ml;如混凝土的水泥用量为300kg/m3,则形成孔缝体积

约21～27L/m3,这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形值小的根本原因。在干燥条件下,混凝土孔缝中的水分将会逸出而产生毛细管压力,导致干燥收缩。

(2)水泥加水反应产生热量,其水化热为165～250J/g,

随着混凝土中水泥用量的增加,其绝热温升可达50～80℃。研究表明,当混凝土的内、外温差ΔT=10℃时,产生的冷缩值为0.01%;当ΔT=20～30℃时,冷缩值为0.02%～0.03%。当冷缩值大于混凝土的极限拉伸值时,会引起混凝土结构开裂。

由以上原因可知,水泥在水化、硬化过程中的化学反应、物理反应和热力学反应所引起的体积变化,是混凝土早期产生收缩开裂的根本原因。

2 混凝土的防裂、抗裂措施

混凝土的防裂、抗裂措施有很多,从建筑材料的角度出发,主要有以下5种:

(1)在混凝土中掺入细磨粉煤灰或矿渣粉。粉煤灰或矿渣粉对降低水化热十分有利,可减少温差收缩,且降低成本,该方法已成为大体积混凝土和商品混凝土传统的抗裂措施,但不能完全解决混凝土的收缩开裂,只能减轻开裂程度。

(2)在混凝土中掺入聚丙烯纤维。聚丙烯纤维细小且杂乱无章,可分散应力集中,对减少混凝土的塑性裂缝和阻止

裂缝的发展有较好的作用。但由于增加成本较多,且只能减轻开裂程度,因而在工程中应用较少,多用于减免自流平混

凝土或砂浆裂缝等方面。

(3)在混凝土中掺入钢纤维。钢纤维的弹性模量比混凝

土的弹性模量大1个数量级,可提高混凝土的抗拉强度和韧性,增强混凝土自身的抗裂缝能力。此外,细小的钢纤维可分散收缩应力,使裂缝细化。但此方法施工过程繁琐,且大幅度增加成本,很难进行推广,仅用于对抗裂要求较高的构件和

路面等。

(4)在混凝土中掺入减缩剂。减缩剂能有效地降低混凝

土失水时的毛细管压力,可使混凝土的干缩率减小约20%～30%,但由于成本较高,一般只适用于难以养护的混凝土结

构。

(5)在混凝土中掺入膨胀剂。将膨胀剂以8%～12%的比例掺入水泥中,可对混凝土的收缩进行等量补偿,并具有填充、堵塞毛细孔缝的作用,极大地提高了混凝土的防渗抗裂能力,且增加成本较少。

对比以上5种措施可以看出,膨胀剂是目前较好的混凝

土防裂、抗裂材料,当膨胀剂与细磨掺和料复合使用时效果

最优,应用也最广泛。

3 混凝土膨胀剂的分类和选择

3.1 膨胀剂的分类

混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石,或钙矾石和氢氧化钙,或氢氧化钙等产物,使混凝土产

生膨胀的外加剂。

根据膨胀剂与水泥、水拌和后经水化反应生成的产物来划分,通常将膨胀剂分为3类:硫铝酸钙类混凝土膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂和氧化钙类混凝土膨胀剂,

其发展历程经历了高碱高掺、中碱中掺和低碱低掺的3个阶段。现行混凝土膨胀剂的3项主要合格指标是碱含量、水中限制膨胀率和水中限制干缩率。

3.2 膨胀剂的选择

膨胀剂的主要功能是补偿混凝土硬化过程中的干缩和

冷缩。JC476—2001《混凝土膨胀剂》规定,当选用膨胀剂时,主要有3项指标:一是碱含量≤0.75%;二是水中7d限制膨胀率≥0.025%;三是掺量≤12%[6]。选择膨胀剂时,应考虑膨胀剂与水泥和其他外加剂的相容性。掺入膨胀剂一般并不影响水泥混凝土的和易性与凝结硬化速率,但由于水泥水化速率

对混凝土强度和膨胀值的影响较大,若与缓凝剂共同使用时,将致使混凝土的膨胀值过大,如果不适当地进行限制,还会

导致混凝土强度的降低。因此,膨胀剂与其他外加剂复合使

用前应进行试验验证。

3.3 混凝土膨胀剂的膨胀源

3.3.1 钙矾石

我国生产的混凝土膨胀剂绝大多数是硫铝酸盐膨胀剂,其膨胀源是其水化产物钙矾石。除石膏的质量之外,其活性

高低主要取决于膨胀剂熟料的质量。提高水化产物钙矾石的稳定性,增强其抗碳化能力,抑制碱-集料反应,是保证混凝

土膨胀剂质量的关键。

形成钙矾石的化学反应式[7]如下:

6CaO+Al2O3+3S O3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(1)由反应式(1)可知,在Al2O3和Ca(OH)2足量的条件下,钙矾石形成的数量取决于水泥基材料膨胀体系中SO3的数量。若石膏的溶解速度快,则钙矾石形成的速度也快,从而使得有效膨胀能降低。我国生产的混凝土膨胀剂大多以含杂质少、溶解速度较慢的硬石膏作为膨胀组分,一般硬石膏中SO3含量≥48%。

3.3.2 高钙粉煤灰和工业废石膏

利用高钙粉煤灰和工业废石膏等固体废弃物中的膨胀

组分(自由氧化钙或含不同结晶水的硫酸钙晶体)开发新的

混凝土膨胀剂,也是发展混凝土膨胀剂的一个重要途径[8]。