混凝土膨脹劑的補(bǔ)償機(jī)理及應(yīng)用★

馬鉞 李達(dá)

(1.陽泉市建筑設(shè)計(jì)院，山西陽泉 045000;2.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西陽泉 045000)

1 概述

裂縫是導(dǎo)致普通水泥混凝土質(zhì)量劣化的重要原因，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌大多也是源于微裂縫的持續(xù)擴(kuò)展?；炷恋奈⒘阎饕腥N:1)在骨料周圍出現(xiàn)的骨料與水泥石粘結(jié)面上的粘著裂縫;2)水泥石中的裂縫;3)骨料內(nèi)部的裂縫?；炷亮芽p的主要成因可分為三種:由靜載或動(dòng)載作用而引起的主要應(yīng)力或結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，以及由變形荷載(如溫度、收縮和膨脹、不均勻沉陷等)引起的裂縫。

針對不同原因產(chǎn)生的裂縫，有不同的裂縫預(yù)防控制方法，如控制水灰比、選用收縮量較小的水泥、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、減小約束、預(yù)留收縮縫、摻外加劑等。其中，在普通混凝土中摻加膨脹劑以形成補(bǔ)償收縮是解決混凝土抗裂性有效而經(jīng)濟(jì)的措施之一。如:柳州市莊承大廈采用了AEA加強(qiáng)型膨脹劑無縫施工方法;AEA膨脹劑在我國重點(diǎn)建設(shè)工程錢塘江二橋的C60混凝土得到應(yīng)用等等。

2 常用膨脹劑的機(jī)理及應(yīng)用探討

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、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣，使混凝土產(chǎn)生體積膨脹的外加劑。目前，我國常用膨脹劑主要有三種類型:硫鋁酸鈣類(如UEA，AEA，PNC，F(xiàn)S，PPT等)、氧化鈣—硫鋁酸鈣類(如CEA)、氧化鈣類，另外還有氧化鎂類和金屬類，以及復(fù)合膨脹劑等。

硫鋁酸鈣類:也稱明礬石膨脹劑，是國內(nèi)最常用的膨脹劑系列，UEA和AEA使用較多。UEA補(bǔ)償收縮混凝土是一種適度膨脹的混凝土，鈣礬石［KAl(SO4)2·12H2O］是它的膨脹源。

目前，硫鋁酸鈣類膨脹劑存在著以下一些問題:

1)高溫下不穩(wěn)定;

2)應(yīng)用于大體積混凝土?xí)r，如果混凝土內(nèi)部溫升過高，可能導(dǎo)致延遲鈣礬石生成;

3)隨著水泥石的水化硬化，尤其是在碳化失水的過程中，鈣礬石還會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物:C3A(CS·CH)H12，該產(chǎn)物會(huì)使混凝土的強(qiáng)度倒縮，耐久性(尤其是抗凍性)大大降低，同時(shí)也不耐軟水的侵蝕;

4)膨脹劑摻量高(UEA:10%～12%，AEA:8%～10%)，需水率大(0.59)，混凝土終凝后即需要澆水養(yǎng)護(hù)，對混凝土養(yǎng)護(hù)要求高;

5)對高強(qiáng)、高性能混凝土的收縮補(bǔ)償效果略差;

6)這類膨脹劑大多以明礬石為主要原材料，故含有1%～2%的堿(R2O)，這將增加堿—骨料反應(yīng)(AAR)的損害。

氧化鈣類:屬于輕燒CaO，又叫石灰型膨脹劑，1970年由日本小野田水泥株式會(huì)社開發(fā)成功。其膨脹機(jī)理之一，是利用輕燒CaO內(nèi)比表面積大、水化速度快導(dǎo)致水化產(chǎn)物不能及時(shí)轉(zhuǎn)移的特點(diǎn)，使得體系宏觀體積增大;膨脹機(jī)理之二，是利用輕燒氧化鈣晶體的水化產(chǎn)生氫氧化鈣晶體，體積增加約90%，以及水化過程中，分散的石灰顆粒表面吸附水分子，從而造成宏觀體積的膨脹。

CaO系列膨脹劑的主要缺點(diǎn)如下:

1)水化形成的氫氧化鈣顆粒間作用力較弱，膠凝性能差;

2)早期膨脹效果好于后期;

3)膨脹效果的穩(wěn)定性受壓力影響較大。

氧化鈣—硫鋁酸鈣類:又稱CEA，是中國建筑材料科學(xué)研究工作者，在20世紀(jì)80年代經(jīng)精心地研究成功的新產(chǎn)品。它吸收日本石灰型膨脹劑和中國明礬石膨脹劑的優(yōu)點(diǎn)。膨脹來源是過燒石灰和鈣礬石的雙重作用。是用鈣質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料和鐵質(zhì)原料制成的生料，然后經(jīng)過煅燒設(shè)備在1 400℃ ～1 450℃的溫度下煅燒粉磨而成，該產(chǎn)品的膨脹性能高，堿含量低，質(zhì)量穩(wěn)定，是一種性能優(yōu)良的膨脹劑。

CEA的使用要求與UEA和AEA類似，要注意混凝土的養(yǎng)護(hù)，澆筑完的混凝土不能受陽光直接照射，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d，要使混凝土經(jīng)常保持在潤濕狀態(tài);拆模時(shí)間規(guī)定與普通混凝土相同，在冬季要適當(dāng)延長。

氧化鎂類:這類膨脹劑最早由美國的P.K.Mehta教授提出。其膨脹機(jī)理是利用MgO水化后其水化產(chǎn)物Mg(OH)2固相體積的增大來補(bǔ)償混凝土體系的體積收縮。

我國對MgO膨脹劑的研究和使用始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)主要利用高鎂水泥中MgO水化后的延遲膨脹來補(bǔ)償水工大壩基礎(chǔ)大體積混凝土溫降收縮，1973年開始施工的吉林白山水電站拱壩即采用了MgO混凝土筑壩技術(shù)。以后陸續(xù)在東風(fēng)、青溪、銅街子、銅頭等十幾座大中型水電工程中采用了MgO膨脹劑，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益良好。

氧化鎂膨脹劑的原材料——菱鎂礦分布廣泛，成品MgO含量高(90%以上)，質(zhì)量穩(wěn)定;在混凝土中的摻量較低(4%～6%)，需水量少，氧化鎂膨脹劑的需水率只有0.45，比硫鋁酸鹽類膨脹劑0.59的需水率要低;膨脹源為單一的Mg(OH)2，其膨脹過程較易控制;而且氧化鎂膨脹劑的含堿量(Na+，K+)很低，有利于混凝土材料堿—骨料反應(yīng)的預(yù)防和控制。氧化鎂膨脹劑的這些特點(diǎn)使它的利用完全可以突破水工混凝土的局限，在各種非水工類土木工程混凝土中得到推廣和應(yīng)用，尤其是在鋼管混凝土、高強(qiáng)高性能混凝土等低水膠比混凝土或不易養(yǎng)護(hù)的混凝土中，摻量低、需水量小、水化產(chǎn)物穩(wěn)定的氧化鎂類膨脹劑將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

金屬類:在普通混凝土中摻入金屬粉末即形成金屬類膨脹劑。鐵粉、鋁粉、鋅粉、鎂粉等均可作為金屬膨脹劑，以鐵粉使用較多。其膨脹機(jī)理以鐵粉為例:將鐵粉和適量的過鉻酸鹽、高錳酸鹽等氧化劑摻入混凝土中，生成Fe2O3和Fe(OH)2等產(chǎn)物后鐵顆粒體積增大，從而產(chǎn)生膨脹效應(yīng)。

金屬類膨脹劑最先在歐洲和日本提出，在我國主要用于填充用膨脹混凝土或砂漿，摻量一般為水泥質(zhì)量的30%～35%。由于目前應(yīng)用不是很多，工程經(jīng)驗(yàn)相對較少。

復(fù)合膨脹劑:是指用前述的各類膨脹劑再配以化學(xué)外加劑而成的產(chǎn)品，可以用來拌制各類用途的泵送混凝土。工程中使用的復(fù)合膨脹劑有以下類型:分散性混凝土膨脹劑(摻多孔結(jié)構(gòu)的沸石或者電廠高鋁爐渣)、高能活性混凝土膨脹劑(摻硬石膏、明礬石、緩凝減水劑等)、氟化鹽混凝土膨脹劑(摻廢渣氟石膏、粉煤灰等)、鋼渣水泥膨脹劑及其膨脹水泥、活性膨脹劑(摻硫鋁酸鈣、氯化稀土、硫酸鈉、鋁粉等)、低堿低摻量混凝土膨脹劑(摻鋁粉、碳化鈣為膨脹組分，礬泥作為早強(qiáng)組分，礬渣或者葉蠟石作為增強(qiáng)組分)等等。

ZY高性能高效混凝土膨脹劑:該膨脹劑由旋窯生產(chǎn)的特種膨脹熟料、硅鋁酸鹽熟料與石膏配制而成。ZY與用立窯生產(chǎn)的UEA膨脹劑相比，具有堿含量低、膨脹效能高、施工效果和增強(qiáng)性能好以及質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，是目前國內(nèi)摻量最低、最先進(jìn)的硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑。其工作原理是:普通水泥混凝土中拌入ZY和水后，生成的膨脹性結(jié)晶水化物(水化硫鋁酸鈣)可在混凝土結(jié)構(gòu)中建立起一定的預(yù)壓應(yīng)力，混凝土硬化時(shí)因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力被這一預(yù)壓應(yīng)力所抵消，從而可減輕或避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。

3 膨脹劑應(yīng)用的思考和建議

1)在混凝土中摻加膨脹劑主要能解決混凝土結(jié)構(gòu)施工期間的裂縫問題，例如，施工后澆帶以及需要二次澆筑的填充類混凝土，不適用于結(jié)構(gòu)使用期間出現(xiàn)過高的溫度變化的情況。

2)潮濕的環(huán)境更有利于發(fā)揮摻膨脹劑混凝土的補(bǔ)償收縮功能，因此，膨脹劑更適宜用于地鐵及地下構(gòu)筑物、高層建筑地下室以及隧道、管道等有抗裂防滲要求的構(gòu)筑物;同理，良好的養(yǎng)護(hù)條件和較早的養(yǎng)護(hù)開始時(shí)間，也是膨脹劑作用正常發(fā)揮的重要條件。

3)摻加膨脹劑補(bǔ)償收縮的前提，是要在結(jié)構(gòu)中建立預(yù)壓應(yīng)力，否則不適宜采取摻膨脹劑的抗裂辦法。

4)不同系列的膨脹劑補(bǔ)償機(jī)理不同，摻量也不盡相同。要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位，科學(xué)地確定膨脹劑的摻量，以達(dá)到最佳的補(bǔ)償收縮效果。

5)明礬石膨脹劑因其高溫不穩(wěn)定性和碳化失水不穩(wěn)定性以及較高的含堿量，一般不應(yīng)在高溫、雨雪侵蝕、凍融循環(huán)、干濕交替等條件下使用，也不應(yīng)單獨(dú)用于地下室自防水混凝土。

［1］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］ GB 23439—2009，混凝土膨脹劑［S］.

［3］ GBJ 50119—2003，混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 安明喆，劉英利.混凝土膨脹劑的研究與應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2001(6):36-38.

［5］ 胡 平，楊 萍.摻氧化鎂混凝土建造高碾壓混凝土重力壩的溫度補(bǔ)償計(jì)算方法［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2004(4):302-306.