第10章混凝土膨脹劑

1、第10章混凝土膨脹劑 混凝土在澆筑硬化過程中，由于化學(xué)減縮，冷縮和干縮等原因會引起體積收縮，其收縮值大約為自身體積的0.04%0.06%。這些收縮給混凝土的體積穩(wěn)定性，耐久性帶來很大的危害。混凝土的收縮會給混凝土造成下列危害。（1）混凝土的開裂破壞。（2）混凝土抗?jié)B性不好造成滲漏的破壞。（3）混凝土開放性裂縫導(dǎo)致了混凝土中的鋼筋銹蝕。（4）混凝土的收縮會影響混凝土的體積穩(wěn)定性。 1890年發(fā)現(xiàn)水化硫鋁酸鈣引起了水泥石的膨脹，稱之為“水泥桿菌”，并認(rèn)為是對混凝土有害的。 1930年法國研究出用水化硫鋁酸鈣來降低混凝土干燥收縮使混凝土產(chǎn)生自應(yīng)力，看法才有所改變。 為了補(bǔ)償收縮，最初采用收縮補(bǔ)償水泥

2、開始。1964年美國學(xué)者證明無水硫鋁酸鈣是一種穩(wěn)定的化合物，同年他們利用硫鋁酸鈣的膨脹性取得了膨脹水泥的專利權(quán)。 隨后日本，前蘇聯(lián)都發(fā)展的很快，用膨脹水泥配置膨脹混凝土。 作為單獨(dú)的膨脹劑首先是日本開始的。把膨脹劑做為膨脹組分摻入到硅酸鹽水泥中。我國是從20世界70年代開開始膨脹劑的研究，而且發(fā)展很快。1. 膨脹劑的品種與性能 膨脹劑是一種能使混凝土產(chǎn)生一定體積膨脹的外加劑。在普通混凝土中摻入膨脹劑可以配置補(bǔ)償收縮混凝土。 根據(jù)膨脹劑化學(xué)成分的不同分以下幾種類型：硫鋁酸鹽系膨脹劑；石灰系膨脹劑；鐵粉系膨脹劑；氧化鎂型膨脹劑；復(fù)合型膨脹劑。（1）硫鋁酸鹽系膨脹劑 比例最大，使用最廣泛，以硫鋁酸鹽

3、為主的膨脹劑。膨脹劑品種代號基本組成膨脹源CSA型膨脹劑CSA硫鋁酸鈣熟料，石灰石，石膏鈣釩石U型膨脹劑UEA硫酸鋁鹽熟料，明礬石，石膏鈣釩石U型高效膨脹劑UEA-H硅鋁酸鹽熟料，明礬石，石膏鈣釩石復(fù)合膨脹劑CEA石灰系熟料，明礬石，石膏氧化鈣，鈣釩石鋁酸鈣膨脹劑AEA鋁酸鈣熟料，明礬石，石膏鈣釩石明礬石膨脹劑EA-L明礬石，石膏鈣釩石我國主要硫鋁酸鹽膨脹劑LossSio2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SO3合計(jì)1.841.4214.120.3449.790.250.731.5399.99 CSA硫鋁酸鈣膨脹劑的化學(xué)成分 %日產(chǎn)膨脹熟料1200噸生產(chǎn)線生產(chǎn)線熟料生產(chǎn)線出窯膨脹熟料 熟

4、料生產(chǎn)線檢測中心 膨脹劑粉磨流程圖CSA產(chǎn)生鈣釩石的化學(xué)反應(yīng)為：膨脹熟料的SEM圖 球形狀的CaO晶粒尺寸在10微米左右，CaO晶粒被C3S和C4AF包裹著，延遲了CaO的水化速度。 球形狀的CaO晶粒尺寸在15微米左右，由于CaO晶粒尺寸隨著煅燒的溫度越高，其晶粒尺寸增大。 水泥石的SEM圖 摻膨脹劑水泥石的SEM圖 UEA是由硫鋁酸鹽水泥熟料加明礬石，石膏共同磨細(xì)制成。其產(chǎn)生膨脹的主要化學(xué)反應(yīng)為：明礬石復(fù)合型膨脹劑：吸收了石灰型和明礬石膨脹劑的優(yōu)點(diǎn)，膨脹來源于過燒石灰和鈣釩石的雙重作用。它是以石灰石，鋁土質(zhì)材料磨制成生料，經(jīng)14001500煅燒成熟料，再經(jīng)配料磨細(xì)而成。主要產(chǎn)生膨脹性化學(xué)反

5、應(yīng)如下：(2) 石灰系膨脹劑 以CaO為膨脹源，由普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨細(xì)而成。硬脂酸，一方面起助磨劑作用，另一方石灰表面粘附了硬脂酸形成一層硬脂酸膜，起到了憎水隔離作用，使氧化鈣不能立即與水作用，而是在水化過程中膜逐漸破裂，延緩了氧化鈣的水化速度，從而控制膨脹速率。其膨脹反應(yīng)：用途： 制成灌漿料，用于大型設(shè)備的基礎(chǔ)灌漿和地腳螺栓的灌漿。使混凝土減少收縮。增加體積穩(wěn)定性和提高強(qiáng)度。無聲爆破時用的靜態(tài)破碎劑。利用混凝土抗壓強(qiáng)度大，抗拉強(qiáng)度小，兩者相差1020倍。靜態(tài)破碎劑在20溫度時可以達(dá)到30MPa的膨脹壓。在424小時內(nèi)體積膨脹1.52倍。當(dāng)膨脹應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度時，被破碎物體發(fā)生開

6、裂。在整個過程中無噪聲，無粉塵，無毒氣。屬于無公害的安全爆破。膨脹速率對溫度，濕度等環(huán)境影響十分敏感而較難于控制，生產(chǎn)及使用時間不能間隔過長，保質(zhì)期短等原因而較少用于一般混凝土的補(bǔ)償收縮。靜態(tài)爆破（3）鐵粉系膨脹劑方法：鐵屑和一些氧化劑、觸媒劑、分散劑混合制成，在水泥水化時以Fe2O3形式成膨脹源，其主要反應(yīng)為： 主要原料：鐵屑來源于機(jī)械加工的廢料，氧化劑有重鉻酸鹽、 高錳酸鹽。觸媒劑主要是氯鹽。還可以加一些減 水劑做分散劑。 用途：目前這種膨脹劑用量很少，僅用于二次灌漿的有約束 的工程部位，如設(shè)備底座與混凝土基礎(chǔ)之間的灌漿， 已硬化混凝土的接縫、地腳螺栓的錨固等。地腳螺栓的錨固2. 膨脹劑對

7、混凝土性能的影響（1）流動度 流動度降低，塌落度損失也會增加，原因是水泥水化的同時膨脹劑也水化生成鈣礬石或氫氧化鈣，與水泥有“爭水”現(xiàn)象。（2）泌水率 泌水率降低些。由于早期膨脹而水化較為充分的原因，但總的影響不十分明顯。（3）含氣量 各種膨脹劑并無引氣性，含氣量不受影響。（4）凝結(jié)時間 凝結(jié)時間縮短一些。主要是因?yàn)榕蛎泟┰缙谏闪蒜}礬石加快了水化速度因而混凝土凝結(jié)時間略有縮短。（5）鋼筋銹蝕 各種膨脹劑的原材料中均不含有氯離子，且膨脹劑本身均含有一定的堿性，其PH值與水泥相當(dāng)，因此對鋼筋沒有銹蝕作用。（6）強(qiáng)度影響 摻加膨脹劑取代等量水泥對混凝土強(qiáng)度無明顯的不利影響。早期強(qiáng)度會略比不加的提高

8、一些，而28d強(qiáng)度則會略有一些下降。養(yǎng)護(hù)條件好的情況下，后期強(qiáng)度會因?yàn)榛炷羶?nèi)部的密實(shí)性增加而提高。（7）抗?jié)B性 膨脹劑在補(bǔ)償收縮的同時會提高混凝土的密實(shí)性。膨脹劑在水化過程中都要生成大于自身體積的水化產(chǎn)物，隨著水泥石結(jié)構(gòu)的形成過程它逐步的在水泥石構(gòu)架中搭接延伸有效地阻塞了空隙和切斷了毛細(xì)管通路，使結(jié)構(gòu)一步步更加致密而大大的降低了滲透系數(shù)，提高了混凝土的抗?jié)B標(biāo)號，增加了混凝土的耐久性。（8）抗凍性 由于增加了混凝土密實(shí)性，其抗凍性能應(yīng)有所改善，至少不低于不摻的。3. 膨脹劑的應(yīng)用（1）補(bǔ)償收縮混凝土收縮 拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度 裂縫 擴(kuò)展 滲漏、腐蝕破壞 耐久性下降膨脹劑：在混凝土凝結(jié)硬化的初期1

9、4天齡期內(nèi)產(chǎn)生一定的體積膨脹，用以補(bǔ)償混凝土收縮。用膨脹劑產(chǎn)生的自應(yīng)力來抵消收縮應(yīng)力，從而保持混凝土的體積穩(wěn)定性。 （2）混凝土自防水 許多混凝土構(gòu)筑物有防水、抗?jié)B要求，除采取混凝土外部的防水處理外，混凝土的結(jié)構(gòu)自防水也是非常重要的。膨脹劑常常用來做混凝土構(gòu)件自防水材料。如用于地下防水工程、地下室、地下建筑混凝土、地鐵、儲水池、游泳池、屋面防水工程等。（3）自應(yīng)力混凝土 混凝土在摻入膨脹劑后，除了補(bǔ)償自身收縮外，在限制條件下還保留一部分的膨脹能力形成自應(yīng)力混凝土。也就是說混凝土還具有一定的內(nèi)能形成了膨脹預(yù)應(yīng)力。 自應(yīng)力混凝土可用于有壓容器、水池、自應(yīng)力管道、橋梁、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。4. 膨脹劑

10、應(yīng)用的技術(shù)要求 膨脹作用和膨脹劑的成分和作用有關(guān)，和水泥及混凝土膨脹的條件有關(guān)。膨脹劑的膨脹作用有大小不同，更重要的是合理的發(fā)揮時間。 膨脹作用應(yīng)當(dāng)在混凝土具有一定強(qiáng)度的一段時間內(nèi)以一定的速度增長。如果太早因強(qiáng)度不夠，或是混凝土尚有一定塑性時膨脹能力被吸收而發(fā)揮不出來；如果膨脹太遲則又會因混凝土已具備較高強(qiáng)度，膨脹作用又可能破壞了已形成的結(jié)構(gòu)。因此了解各種因素的影響，控制好膨脹劑的最佳膨脹作用時間與強(qiáng)度是收到良好效果的必要條件。（1）水泥的影響 不同的水泥其膨脹率是不一樣的，水泥的質(zhì)量對水中養(yǎng)護(hù)、空氣養(yǎng)護(hù)的膨脹率、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度影響都不一樣。主要與水泥中熟料成分有關(guān)。膨脹率隨水泥中氧化鋁和

11、氧化硫含量的增加而增加。礦渣水泥膨脹率大于硅酸鹽水泥及普通水泥。水泥用量也影響膨脹率，水泥用量大，膨脹值就高，水泥用量低，膨脹值低。（2）養(yǎng)護(hù)條件的影響 膨脹劑的膨脹作用主要發(fā)生在混凝土澆筑的初期，一般在14d以后其膨脹率就趨于穩(wěn)定。這時也是水泥水化的重要階段。兩者之間就有“爭水”現(xiàn)象。如果養(yǎng)護(hù)不好就有可能出現(xiàn)：膨脹值不夠，或者膨脹速率大于水泥水化速度而影響了強(qiáng)度的發(fā)展甚至膨脹力被尚有塑性的混凝土吸收。一般摻有膨脹劑混凝土必須加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，在澆筑后的714d必須采取濕養(yǎng)護(hù)。（3）溫度、濕度的影響 溫度變化不但影響膨脹劑的膨脹速率而且還影響膨脹值，溫度過高混凝土塌落度損失大，極限膨脹值減小，溫度太低

12、膨脹速率慢且極限膨脹值也減小。如20自由膨脹率為0.08%，而在0時降至0.007%。在齡期40d時，20養(yǎng)護(hù)時自由膨脹率達(dá)0.1%，而1時只有0.042%。因此最適合的養(yǎng)護(hù)溫度為1825，最低不應(yīng)低于5，冬季施工應(yīng)采用其他輔助手段。 濕度影響也很重要，因?yàn)槿魏闻蛎泟┑呐蛎浄磻?yīng)均離不開水，尤其是硫鋁酸鹽膨脹劑。因?yàn)樯赦}礬石需要大量水，鈣礬石分子中有32個水分子，更需要大濕度的環(huán)境。尤其是再混凝土澆筑早期，如果濕度不夠，那么即使是延長養(yǎng)護(hù)時間也再難達(dá)到極限膨脹值。 摻膨脹劑的混凝土與普通混凝土在干燥狀態(tài)下，均會引起自身的體積收縮，但如果恢復(fù)到潮濕環(huán)境或浸入水中，摻膨脹劑的混凝土重新恢復(fù)膨脹，因

13、收縮產(chǎn)生的裂縫可能重新閉合恢復(fù)原狀，這就是膨脹混凝土的自愈作用。而普通混凝土的干縮是不可逆的，這種性能對摻膨脹劑混凝土的防水、防滲作用是十分有利的。（4）混凝土配筋率的影響 膨脹混凝土的膨脹應(yīng)力與限制條件有很大關(guān)系，而在鋼筋混凝土中配筋率是主要的限制條件。實(shí)驗(yàn)證明，在一定條件下存在一個最佳配筋率的范圍，在此范圍內(nèi)膨脹率不很高，但自應(yīng)力值卻較大。一般當(dāng)配筋率在0.2%1.5%范圍內(nèi)，鋼筋混凝土的自應(yīng)力值隨配筋率的增加而增加。（5）組成和細(xì)度 膨脹劑的組成是決定膨脹劑作用的關(guān)鍵。使用最多的硫鋁酸鹽膨脹劑，膨脹源主要是鈣礬石的生長，在水泥中鈣礬石的生長速度和數(shù)量主要受氧化鋁和三氧化硫含量的影響，其中

14、三氧化硫更起到控制作用。膨脹劑中三氧化硫的含量高地可以基本上決定其摻量的大小。 石灰系膨脹劑主要決定于活性氧化鈣含量的多少。 膨脹劑的細(xì)度也會影響其膨脹性能。這一點(diǎn)與水泥細(xì)度影響水泥強(qiáng)度的作用差不多。因?yàn)榉垠w細(xì)度直接影響其溶解速度，從而影響其生成鈣礬石生長的時間和數(shù)量，改變膨脹作用在水泥不同強(qiáng)度下發(fā)生時間，就會影響膨脹率和自應(yīng)力值。可以通過改變膨脹劑的細(xì)度對強(qiáng)度-膨脹率的配合進(jìn)行調(diào)整。粒度含量/%445.819.122.41.851.44425093.671.167.134.748.52500.619.110.563.50.1（6）摻量 混凝土的自由膨脹率是隨著膨脹劑摻量的增加而增加的。不同組分的膨脹劑為達(dá)到同樣效果，可以通過調(diào)整摻量來實(shí)現(xiàn)。 由于用途不同，膨脹劑在混凝土中的摻量也不同，用于補(bǔ)償收縮、混凝