混凝土膨脹劑的研究進(jìn)展

摘　要:根據(jù)水泥的水化機(jī)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(duì)混凝土膨脹劑在使用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了研究與探討。

關(guān)鍵詞:混凝土膨脹劑;結(jié)構(gòu)開裂;裂縫控制;限制膨脹率

中圖分類號(hào): TU 528. 042. 4　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

引言

　　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(gè)最棘手的問題。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(shí)踐表明,摻加膨脹劑以形成補(bǔ)償收縮是抑制早期收縮裂縫最方便、最經(jīng)濟(jì)和最有效的措施[ 1 ] 。本文從膨脹劑的選擇、施工、摻量和限制膨脹率等方面,對(duì)混凝土膨脹劑在使用中應(yīng)注意的問題進(jìn)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(xué)反應(yīng)和熱力學(xué)反應(yīng)所引起的體積收縮,將會(huì)導(dǎo)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(diǎn)。特別是在防水工程如地下、水工、海工、地鐵、隧道、水電、超長(zhǎng)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(huì)造成嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。導(dǎo)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(duì)體積減小。研究表明,每100 g水泥中摻加33 ml水,水化后的化學(xué)減縮值為7～9 ml;如混凝土的水泥用量為300 kg/m3 ,則形成孔縫體積約21～27 L /m3 ,這是混凝土抗拉強(qiáng)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(huì)逸出而產(chǎn)生毛細(xì)管壓力,導(dǎo)致干燥收縮。

　　(2)水泥加水反應(yīng)產(chǎn)生熱量,其水化熱為165～250 J /g,隨著混凝土中水泥用量的增加,其絕熱溫升可達(dá)50～80 ℃。研究表明,當(dāng)混凝土的內(nèi)、外溫差ΔT = 10 ℃時(shí),產(chǎn)生的冷縮值為0. 01 %;當(dāng)ΔT =20～30 ℃時(shí),冷縮值為0. 02 % ～0. 03 %。當(dāng)冷縮值大于混凝土的極限拉伸值時(shí),會(huì)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(xué)反應(yīng)、物理反應(yīng)和熱力學(xué)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(xì)磨粉煤灰或礦渣粉。粉煤灰或礦渣粉對(duì)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[ 3 ] 。

　　(2)在混凝土中摻入聚丙烯纖維。聚丙烯纖維細(xì)小且雜亂無(wú)章,可分散應(yīng)力集中,對(duì)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[ 4 ] 。鋼纖維的彈性模量比混凝土的彈性模量大1個(gè)數(shù)量級(jí),可提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性,增強(qiáng)混凝土自身的抗裂縫能力。此外,細(xì)小的鋼纖維可分散收縮應(yīng)力,使裂縫細(xì)化。但此方法施工過程繁瑣,且大幅度增加成本,很難進(jìn)行推廣,僅用于對(duì)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(shí)的毛細(xì)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(hù)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(duì)混凝土的收縮進(jìn)行等量補(bǔ)償,并具有填充、堵塞毛細(xì)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(duì)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(dāng)膨脹劑與細(xì)磨摻和料復(fù)合使用時(shí)效果最優(yōu),應(yīng)用也最廣泛。

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[ 5 ] ,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(gè)階段。現(xiàn)行混凝土膨脹劑的3項(xiàng)主要合格指標(biāo)是堿含量、水中限制膨脹率和水中限制干縮率[ 6 ] 。

3. 2　膨脹劑的選擇

　　膨脹劑的主要功能是補(bǔ)償混凝土硬化過程中的干縮和冷縮。JC 476—2001《混凝土膨脹劑》規(guī)定,當(dāng)選用膨脹劑時(shí), 主要有3 項(xiàng)指標(biāo): 一是堿含量≤0. 75 %;二是水中7 d限制膨脹率≥0. 025 %;三是摻量≤12 %[ 6 ] 。選擇膨脹劑時(shí),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(duì)混凝土強(qiáng)度和膨脹值的影響較大,若與緩凝劑共同使用時(shí),將致使混凝土的膨脹值過大,如果不適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行限制,還會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的降低。因此,膨脹劑與其他外加劑復(fù)合使用前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3. 3　混凝土膨脹劑的膨脹源

3. 3. 1　鈣礬石

　　我國(guó)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(qiáng)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(xué)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(guó)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(gè)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(huì)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(qiáng)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(bǔ)償收縮、防裂抗?jié)B的能力強(qiáng);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)[ 11 ] 。

　　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(shí)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(qiáng)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(jì)算方法是按等量替代膠凝材料的內(nèi)摻法。在實(shí)際工程中,應(yīng)根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位,科學(xué)合理地?fù)饺氩煌瑪?shù)量的膨脹劑,才能達(dá)到補(bǔ)償收縮的要求。對(duì)于后澆帶或膨脹加強(qiáng)帶,需用大膨脹混凝土填充,要求混凝土膨脹率達(dá)到0. 035 % ～0. 045 %[ 12 ] ,強(qiáng)度提高5MPa,需摻14 % ～15 %的膨脹劑才能達(dá)到,如摻12 %的膨脹劑將不能滿足設(shè)計(jì)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(huì)增加成本,還會(huì)給施工帶來不便,這也是目前膨脹劑存在的問題。

4. 3　加強(qiáng)攪拌,提高膨脹劑的均勻性

　　膨脹劑的均勻性是保證補(bǔ)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(yán)格按攪拌制度拌和混凝土,拌和時(shí)間應(yīng)比普通混凝土延長(zhǎng)30 s,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(yùn)輸、布料應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行,防止離析。

4. 4　加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

　　膨脹劑只有與水泥均勻混合,通過充分水化才能實(shí)現(xiàn)要求達(dá)到的膨脹率。膨脹劑在水泥水化過程中需要較多的水分,實(shí)踐表明,僅靠拌和水是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足水化要求的,因而加強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土澆注后的供水養(yǎng)護(hù)十分重要,補(bǔ)償收縮混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)期應(yīng)≮14 d[ 11 ] 。對(duì)于大體積混凝土,其表面必須進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)。另外,也可采用灑水和用塑料薄膜覆蓋的方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

4. 5　遵循膨脹劑的選用原則

　　首先應(yīng)正確地選用膨脹劑;使用混凝土膨脹劑時(shí),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(yán)格遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),因地制宜地進(jìn)行選用。

5　混凝土膨脹劑的發(fā)展前景

　　自20世紀(jì)70年代末以來,我國(guó)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(zhǎng)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(gè)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(huì)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(wú)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(jìn)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(kuò)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(huì)使膨脹劑的產(chǎn)量成倍增長(zhǎng),對(duì)膨脹劑的推廣應(yīng)用將是一大促進(jìn)。此外,在高性能混凝土中摻入膨脹劑,從提高混凝土的密實(shí)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[13] 。

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