混凝土膨脹劑用來配制膨脹混凝土（包括補償收縮混凝土和自應(yīng)力混凝土），補償收縮混凝土具有補償混凝土干縮和密實混凝土、提高混凝土抗?jié)B性作用，在土木工程中主要用于防水和抗裂兩個方面，現(xiàn)在使用較多的場合是配制高等級防水混凝土和適當延長伸縮縫或后澆帶間距。

混凝土膨脹劑的研究進展

摘要:根據(jù)水泥的水化機理,分析了混凝土結(jié)構(gòu)開裂的原因。從膨脹劑的選擇、施工、摻量和限制膨脹率等方面,對混凝土膨脹劑在使用中應(yīng)注意的問題進行了研究與探討。

如何控制和防止有害裂縫的產(chǎn)生是混凝土耐久性研究中一個棘手的問題。造成混凝土開裂的原因很多,采取的措施也各不相同。大量的研究和應(yīng)用實踐表明,摻加膨脹劑以形成補償收縮是抑制早期收縮裂縫方便、經(jīng)濟和有效的措施。本文從膨脹劑的選擇、施工、摻量和限制膨脹率等方面,對混凝土膨脹劑在使用中應(yīng)注意的問題進行了研究與探討。

1 混凝土結(jié)構(gòu)開裂的原因分析

水泥在水化過程中,由于化學反應(yīng)和熱力學反應(yīng)所引起的體積收縮,將會導致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮開裂,這是混凝土材料的致命缺點。特別是在防水工程如地下、水工、海工、地鐵、隧道、水電、超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程以及二次灌注工程中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂,將會造成嚴重的質(zhì)量缺陷。導致混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因有以下兩種[2]:

(1)水泥加水后變成水泥硬化體,其絕對體積減小。研究表明,每100g水泥中摻加33ml水,水化后的化學減縮值為7～9ml;如混凝土的水泥用量為300kg/m3,則形成孔縫體積約21～27L/m3,這是混凝土抗拉強度低和極限拉伸變形值小的根本原因。在干燥條件下,混凝土孔縫中的水分將會逸出而產(chǎn)生毛細管壓力,導致干燥收縮。

(2)水泥加水反應(yīng)產(chǎn)生熱量,其水化熱為165～250J/g,隨著混凝土中水泥用量的增加,其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明,當混凝土的內(nèi)、外溫差ΔT=10℃時,產(chǎn)生的冷縮值為0.01%;當ΔT=20～30℃時,冷縮值為0.02%～0.03%。當冷縮值大于混凝土的極限拉伸值時,會引起混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

由以上原因可知,水泥在水化、硬化過程中的化學反應(yīng)、物理反應(yīng)和熱力學反應(yīng)所引起的體積變化,是混凝土早期產(chǎn)生收縮開裂的根本原因。

2 混凝土的防裂、抗裂措施

混凝土的防裂、抗裂措施有很多,從建筑材料的角度出發(fā),主要有以下5種:

(1)在混凝土中摻入細磨粉煤灰或礦渣粉。粉煤灰或礦渣粉對降低水化熱十分有利,可減少溫差收縮,且降低成本,該方法已成為大體積混凝土和商品混凝土傳統(tǒng)的抗裂措施,但不能完全解決混凝土的收縮開裂,只能減輕開裂程度。

(2)在混凝土中摻入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維細小且雜亂無章,可分散應(yīng)力集中,對減少混凝土的塑性裂縫和阻止裂縫的發(fā)展有較好的作用。但由于增加成本較多,且只能減輕開裂程度,因而在工程中應(yīng)用較少,多用于減免自流平混凝土或砂漿裂縫等方面。

(3)在混凝土中摻入鋼纖維。鋼纖維的彈性模量比混凝土的彈性模量大1個數(shù)量級,可提高混凝土的抗拉強度和韌性,增強混凝土自身的抗裂縫能力。此外,細小的鋼纖維可分散收縮應(yīng)力,使裂縫細化。但此方法施工過程繁瑣,且大幅度增加成本,很難進行推廣,僅用于對抗裂要求較高的構(gòu)件和路面等。

(4)在混凝土中摻入減縮劑。減縮劑能有效地降低混凝土失水時的毛細管壓力,可使混凝土的干縮率減小約20%～30%,但由于成本較高,一般只適用于難以養(yǎng)護的混凝土結(jié)構(gòu)。

(5)在混凝土中摻入膨脹劑。將膨脹劑以8%～12%的比例摻入水泥中,可對混凝土的收縮進行等量補償,并具有填充、堵塞毛細孔縫的作用,極大地提高了混凝土的防滲抗裂能力,且增加成本較少。

對比以上5種措施可以看出,膨脹劑是目前較好的混凝土防裂、抗裂材料,當膨脹劑與細磨摻和料復合使用時效果明顯,應(yīng)用也比較廣泛。

3 混凝土膨脹劑的分類和選擇

3.1 膨脹劑的分類

混凝土膨脹劑是指與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石,或鈣礬石和氫氧化鈣,或氫氧化鈣等產(chǎn)物,使混凝土產(chǎn)生膨脹的外加劑。

根據(jù)膨脹劑與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成的產(chǎn)物來劃分,通常將膨脹劑分為3類:硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑、硫鋁酸鈣-氧化鈣類混凝土膨脹劑和氧化鈣類混凝土膨脹劑,其發(fā)展歷程經(jīng)歷了高堿高摻、中堿中摻和低堿低摻的3個階段。現(xiàn)行混凝土膨脹劑的3項主要合格指標是堿含量、水中限制膨脹率和水中限制干縮率。

3.2 膨脹劑的選擇

膨脹劑的主要功能是補償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。JC476—2001《混凝土膨脹劑》規(guī)定,當選用膨脹劑時,主要有3項指標:一是堿含量≤0.75%;二是水中7d限制膨脹率≥0.025%;三是摻量≤12%[6]。選擇膨脹劑時,應(yīng)考慮膨脹劑與水泥和其他外加劑的相容性。摻入膨脹劑一般并不影響水泥混凝土的和易性與凝結(jié)硬化速率,但由于水泥水化速率對混凝土強度和膨脹值的影響較大,若與緩凝劑共同使用時,將致使混凝土的膨脹值過大,如果不適當?shù)剡M行限制,還會導致混凝土強度的降低。因此,膨脹劑與其他外加劑復合使用前應(yīng)進行試驗驗證。

3.3 混凝土膨脹劑的膨脹源

3.3.1 鈣礬石

我國生產(chǎn)的混凝土膨脹劑絕大多數(shù)是硫鋁酸鹽膨脹劑,其膨脹源是其水化產(chǎn)物鈣礬石。除石膏的質(zhì)量之外,其活性高低主要取決于膨脹劑熟料的質(zhì)量。提高水化產(chǎn)物鈣礬石的穩(wěn)定性,增強其抗碳化能力,抑制堿-集料反應(yīng),是保證混凝土膨脹劑質(zhì)量的關(guān)鍵。

形成鈣礬石的化學反應(yīng)式[7]如下:

6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(1)

由反應(yīng)式(1)可知,在Al2O3和Ca(OH)2足量的條件下,鈣礬石形成的數(shù)量取決于水泥基材料膨脹體系中SO3的數(shù)量。若石膏的溶解速度快,則鈣礬石形成的速度也快,從而使得有效膨脹能降低。我國生產(chǎn)的混凝土膨脹劑大多以含雜質(zhì)少、溶解速度較慢的硬石膏作為膨脹組分,一般硬石膏中SO3含量≥48%。

3.3.2 高鈣粉煤灰和工業(yè)廢石膏

利用高鈣粉煤灰和工業(yè)廢石膏等固體廢棄物中的膨脹組分(自由氧化鈣或含不同結(jié)晶水的硫酸鈣晶體)開發(fā)新的混凝土膨脹劑,也是發(fā)展混凝土膨脹劑的一個重要途徑[8]。

高鈣粉煤灰的膨脹組分主要是游離氧化鈣[9-10],游離氧化鈣水化將會引起膨脹;工業(yè)廢石膏的膨脹組分主要是含不同結(jié)晶水的硫酸鈣晶體,它在水化過程中參與鈣礬石的形成而引起膨脹。

4 使用混凝土膨脹劑應(yīng)注意的問題

4.1 限制膨脹率問題

混凝土的限制膨脹率ε2在工程應(yīng)用中非常重要。它隨著混凝土強度的提高而增大,但二者并不成正比例關(guān)系。ε2數(shù)值大,自應(yīng)力值高,其補償收縮、防裂抗?jié)B的能力強;ε2數(shù)值小,其防裂抗?jié)B的能力弱。因此,限制膨脹率ε2是建筑結(jié)構(gòu)防裂抗?jié)B的重要參數(shù)。

不同結(jié)構(gòu)、不同部位混凝土的抗裂要求也不同。大量工程實踐表明,防水工程的底板混凝土的限制膨脹率ε2=0.02%～0.025%,側(cè)墻的限制膨脹率ε2=0.03%～0.035%,后澆帶或膨脹加強帶的限制膨脹率ε2=0.035%～0.045%為宜。

4.2 膨脹劑的摻量問題

由于膨脹劑本身具有活性,可視為水泥的一部分,因而其摻量的計算方法是按等量替代膠凝材料的內(nèi)摻法。在實際工程中,應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位,科學合理地摻入不同數(shù)量的膨脹劑,才能達到補償收縮的要求。對于后澆帶或膨脹加強帶,需用大膨脹混凝土填充,要求混凝土膨脹率達到0.035%～0.045%[12],強度提高5MPa,需摻14%～15%的膨脹劑才能達到,如摻12%的膨脹劑將不能滿足設(shè)計要求,有可能造成混凝土結(jié)構(gòu)開裂。但是,如果膨脹劑摻量過多,不僅會增加成本,還會給施工帶來不便,這也是目前膨脹劑存在的問題。

4.3 加強攪拌,提高膨脹劑的均勻性

膨脹劑的均勻性是保證補償收縮混凝土防裂、抗裂的基本條件,提高膨脹劑均勻性的主要措施有:①嚴格按攪拌制度拌和混凝土,拌和時間應(yīng)比普通混凝土延長30s,以保證膨脹劑與水泥、減水劑拌和均勻,提高其勻質(zhì)性;②混凝土的運輸、布料應(yīng)嚴格按照施工規(guī)范進行,防止離析。

4.4 加強養(yǎng)護

膨脹劑只有與水泥均勻混合,通過充分水化才能實現(xiàn)要求達到的膨脹率。膨脹劑在水泥水化過程中需要較多的水分,實踐表明,僅靠拌和水是遠遠不能滿足水化要求的,因而加強補償收縮混凝土澆注后的供水養(yǎng)護十分重要,補償收縮混凝土的保濕養(yǎng)護期應(yīng)≮14d。對于大體積混凝土,其表面必須進行蓄水養(yǎng)護。另外,也可采用灑水和用塑料薄膜覆蓋的方法進行養(yǎng)護。

4.5 遵循膨脹劑的選用原則

正確地選用膨脹劑;使用混凝土膨脹劑時,必須保證一定的溫度和濕度,鈣礬石的性能才能保持穩(wěn)定;使用膨脹劑必須嚴格遵循國家標準,因地制宜地進行選用。

5 混凝土膨脹劑的發(fā)展前景

自20世紀70年代末以來,我國在混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)研究方面已取得了很大的成就如提出了結(jié)構(gòu)自防水、延長后澆帶留置間隔或取消結(jié)構(gòu)后澆帶,大體積混凝土裂縫控制,提高灌注樁承載力和自應(yīng)力混凝土壓力管的自應(yīng)力值等,但目前也存在著許多不足,今后應(yīng)從以下幾個方面發(fā)展混凝土膨脹劑。

(1)研究低堿含量的膨脹劑。堿-集料反應(yīng)會降低混凝土的耐久性,已引起工程界的重視,因而研制低堿、無堿膨脹劑十分必要。

(2)研究低摻量膨脹劑。低摻量可以降低成本,因而進一步研究摻量<10%或摻量更低的高效能膨脹劑,應(yīng)是今后的研究方向之一。

(3)擴大膨脹劑的應(yīng)用范圍。膨脹劑目前多應(yīng)用于城建和市政工程,應(yīng)努力拓展膨脹劑在水利、電力、煤炭、鐵道、化工、海工、核能等領(lǐng)域鋼筋混凝土中的應(yīng)用,這將會使膨脹劑的產(chǎn)量成倍增長,對膨脹劑的推廣應(yīng)用將是一大促進。此外,在高性能混凝土中摻入膨脹劑,從提高混凝土的密實性和體積穩(wěn)定性以及減免裂縫等功能來看都將是有益的。

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