混凝土膨脹劑

混凝土膨脹劑

一種新型混凝土外加劑，加在水泥中，當(dāng)水泥凝結(jié)硬化時，隨之體積膨脹，起補償收縮和產(chǎn)生一定預(yù)應(yīng)力以及充分填充水泥間隙的作用水泥在水化過程中,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。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(yán)重的質(zhì)量缺陷，由此引出了膨脹劑的使用。

一丶分類（按成份）硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑氧化鈣類混凝土膨脹劑硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑氧化鎂類復(fù)合纖維類二丶具體用途地下建筑物：如地鐵、地下停車場、地下倉庫、隧道、礦井、人防工程、基坑等；水池、游泳池、水塔、儲罐、大型容器、糧倉、油罐、山洞內(nèi)倉庫等；高強度公路路面、橋梁混凝土面層、涵洞等；預(yù)制構(gòu)件、框架結(jié)構(gòu)接頭的錨接、管道接頭、后張預(yù)制構(gòu)件的灌漿材料、后澆縫的回填、巖漿灌漿材料；

水泥制品：自應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力與鋼套預(yù)應(yīng)力混凝土水管、樓板、柱、梁柱、防水屋面板等；機械設(shè)備的地腳螺絲、機座與混凝土基礎(chǔ)之間的無收縮灌注；鑄鐵管、鋼管的內(nèi)襯防護(hù)砂漿；自防水剛性屋面、砂漿防滲層、砂漿防潮層等；體育場看臺、城市雕塑、博物館、賓館等;建造高強度、高抗?jié)B豎井、大壩回槽填充混凝土。三丶發(fā)展歷程1936年，美國科學(xué)家使用鈣礬石類（即硫鋁酸鈣類）膨脹劑配制自應(yīng)力混凝土。1958年，美國人A.克萊因研制成功了一種硫鋁酸鹽型水泥，取名K水泥，并取得了膨脹水泥的專利。1970年，日本小野田公司還成功開發(fā)了石灰系膨脹劑，即為氧化鈣類膨脹劑。1979年，吳中偉先生撰寫的《補償收縮混凝土》專著出版，這是我國科學(xué)界首次提出補償收縮混凝土理論。1985年，在吳中偉院士的指導(dǎo)下，中國建筑材料科學(xué)研究總院研制成功UEA、AEA、CEA等多個型號混凝土膨脹劑。

20世紀(jì)90年代后期，美國的P.K.Mehta等為解決大體積混凝土溫差裂縫問題，提出了在水泥中摻入5%MgO的設(shè)想，并由此誕生了氧化鎂類膨脹劑。2001年，國內(nèi)嚴(yán)格意義上第一部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC476-2001《混凝土膨脹劑》頒布實施。2009年，國家標(biāo)準(zhǔn)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》頒布實施。2011年，由建筑材料科學(xué)研究總院與武漢三源特種建材有限責(zé)任公司合作研發(fā)的FQY高性能膨脹劑面世，該產(chǎn)品經(jīng)與日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會社（DENKA）的同類產(chǎn)品進(jìn)行對比，各項性能占優(yōu)，深受行業(yè)認(rèn)同。四丶膨脹劑對混凝土性能的影響對混凝土膨脹率的影響（1）膨脹劑摻量越大，混凝土的膨脹能越大。（2）混凝土配筋率越大，膨脹率越小。對混凝土凝結(jié)時間的影響對混凝土的凝結(jié)時間影響不大，這是因為膨脹劑的組分一般要在水泥水化硬化以后才開始產(chǎn)生作用。但是摻硫鋁酸鈣類膨脹劑的混凝土其凝結(jié)時間一般要比不摻者雖短20-60min,原因是硫鋁酸鈣類膨脹劑中含有石膏組分和鋁酸鹽組分，促進(jìn)了水泥的水化。對混凝土強度的影響摻膨脹劑的混凝土一般早期抗壓強度有所增長，但后期抗壓強度與膨脹劑摻量關(guān)系較大。對于自由膨脹的混凝土，當(dāng)膨脹劑摻量較大時往往導(dǎo)致混凝土后期抗壓強度有所降低。但是對于受約束作用的混凝土，即使膨脹劑摻量較大時，由于混凝土的膨脹能受到鋼筋的約束，使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，混凝土抗壓強度增加。對混凝土強度的影響膨脹結(jié)束后的膨脹混凝土，其收縮與徐變值與普通混凝土相似。但是在限制條件下，膨脹混凝土的干縮值略低于普通混凝土。

對混凝土和易性的影響摻膨脹劑的混凝土，一般需水量稍大，拌合物黏聚性較好，保水性優(yōu)良。但是摻加膨脹劑的混凝土一般（并不是所有）坍落度損失較快，尤其是同時摻加膨脹劑和減水劑的混凝土，有時坍落度損失過快，以至于無法滿足運輸需求。對混凝土抗?jié)B性、抗凍性的影響對于自由膨脹的混凝土，膨脹劑摻量較低時，膨脹產(chǎn)物主要填充混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔和大孔，起到密實作用，對于提高混凝土抗?jié)B性很有幫助。但是當(dāng)摻量過大時，過高的膨脹能會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，反而使混凝土抗?jié)B性下降。由于混凝土抗?jié)B性提高，摻膨脹劑可以同時改善混凝土抗凍性五丶正確使用方法科學(xué)合理使用膨脹劑，有以下幾個重要因素：①科學(xué)合理選定膨脹劑摻量，選用膨脹劑必須在對應(yīng)混凝土攪拌站進(jìn)行適配。適配的目的主要在于：根據(jù)設(shè)計膨脹率指標(biāo)確定合理的用量與摻入方法。摻入方法通常有外摻、內(nèi)摻取代部分礦物摻合料這兩種方式。②控制混凝土澆筑入模的溫度，一般在30±5℃范圍較為合理。③加強混凝土的振搗，比普通混凝土振搗更密實。④科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)方式，澆筑前7天加強養(yǎng)護(hù)，每天上午10點到下午4點之間應(yīng)不少于5次灑水，第8-14天每天上午下午各養(yǎng)護(hù)一次。夜間不宜進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，冬季不宜進(jìn)行過多養(yǎng)護(hù)。嚴(yán)格結(jié)合溫度監(jiān)測進(jìn)行養(yǎng)護(hù)十分重要，牢記“升溫階段降溫，降溫階段保溫”的溫控原則。⑤不宜選用含泥量過高的砂石生產(chǎn)混凝土，不宜過早對混凝土荷載。六丶適用范圍用途適用范圍補償收縮混凝土地下、水中、海水中、隧道等構(gòu)筑物，大體積混凝土（除大壩外），配筋路面和板、屋面與廁浴間防水、構(gòu)件補強、滲漏修補、預(yù)應(yīng)力混凝土、回填槽等填充用膨脹劑混凝土結(jié)構(gòu)后澆帶、隧洞堵頭、鋼管與隧道之間的填充等。灌漿用膨脹砂漿機械設(shè)備的底座灌漿、地腳螺栓的固定、梁柱接頭、構(gòu)件補強、加固等。自應(yīng)力混凝土僅用于常溫下使用的自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管。含硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鲺-氧化鈣類膨脹劑的混凝土（砂漿）不得用于長期環(huán)境溫度為80℃以上的工程。含氧取化鈣類膨脹劑配制的混凝土（砂漿）不得用于海水或有侵蝕性水的工程。摻膨脹劑的混凝土適用于鋼筋混凝土工程和填充性混凝土工程。摻膨脹劑的大體積混凝土，其內(nèi)部最高溫度應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，混凝土內(nèi)外溫差宜小于25℃。摻膨脹劑的補償收縮混凝土剛性屋面宜用于南方地區(qū)，其設(shè)計、施工應(yīng)按《屋面工程質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50207執(zhí)行。七丶摻膨脹劑混凝土（砂漿）的性能力要求補償收縮混凝土的性能填充用膨脹混凝土的性能項目限制膨脹率（×10-4）限制干縮率（×10-4）抗壓強度（MPa）齡期水中14d水中14d，空氣中28d28d性能指標(biāo)≥1.5≤3.0≥2.5項目限制膨脹率（×10-4）限制干縮率（×10-4）抗壓強度（MPa）齡期水中14d水中14d，空氣中28d28d性能指標(biāo)≥2.5≤3.0≥30灌漿用膨脹砂漿性能自應(yīng)力混凝土：摻膨脹劑全速行進(jìn)自應(yīng)力混凝土全速行進(jìn)性能應(yīng)符合《自應(yīng)力硅酸鹽水泥》JC/T218的規(guī)定。流動度（mm）豎向膨脹率（×10-4）抗壓強度（MPa）3d7d1d3d28d250≥10≥20≥20≥30≥60硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑

與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石的混凝土膨脹劑。其主要成份是:CaO、SO3、Al2O3

組成的化合物的混合物。一丶作用機理硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見的膨脹劑，其品種很多，主要包括CSA膨脹劑和明礬石膨脹劑，產(chǎn)生膨脹能的原因是由于硫鋁酸鈣水化物(鈣礬石)的生成，其反應(yīng)通式為：6CaO+3A12o3+3So3+96H2o——3Cao·A12o3·3CaS04·32H2o對鈣礬石的膨脹機理，主要存在兩種理論：即結(jié)晶膨脹和膠體吸水膨脹。米哈依洛夫認(rèn)為膨脹是由于鈣礬石的晶體長大而產(chǎn)生晶體壓力所至。Mehta認(rèn)為，鈣礬石的膨脹是由于其表面帶電負(fù)性，膠狀鈣礬石比表面積打及特殊的晶格結(jié)構(gòu)，在飽和Ca(OH)2溶液中會吸附大量的水腫脹，而不是鈣礬石形成過程中產(chǎn)生膨脹。二丶使用要求但是在硫鋁酸鈣類膨脹劑推廣使用過程中也發(fā)現(xiàn)若干問題,主要表現(xiàn)為混凝土開裂、未達(dá)到設(shè)計要求的膨脹率、強度不足等。要解決這些問題,需要從原材料、配合比、現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)等諸多方面進(jìn)行控制,主要有以下幾點：1.對混凝土養(yǎng)護(hù)條件的要求夏天在大體積混凝土需用硫鋁酸鈣類膨脹劑時,需考慮有效的降溫措施。通常采取的措施有減少水泥用量,降低混凝土澆筑塊體的溫度升高;優(yōu)先采用水化熱低的水泥配制大體積混凝土以及炎熱季節(jié)澆筑大體積混凝土?xí)r,混凝土攪拌場站宜對砂、石骨料采取遮陽、降溫措施等等。膨脹劑加入到混凝土中,拌水后生成大量的膨脹結(jié)晶體鈣礬石(C3A·3CaSO4·32H2O),膨脹結(jié)晶體鈣礬石的生成需要水,因為在澆筑后1~7d內(nèi)是膨脹變形的主要階段,應(yīng)特別加強澆水養(yǎng)護(hù),7~14d仍需濕養(yǎng)護(hù),以保證此期間混凝土表濕連續(xù)充足,確保膨脹率能達(dá)到設(shè)計預(yù)期的峰值,充分發(fā)揮混凝土的膨脹效應(yīng)。2.膨脹劑選用及摻量的控制在合格的硫鋁酸鈣類膨脹劑中,產(chǎn)品的性能也不盡相同,有的膨脹劑雖然膨脹率高,但干燥收縮率很大,存在膨脹與收縮“落差”太大的現(xiàn)象。膨脹劑摻量的高低,應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位,科學(xué)地?fù)饺氩煌瑪?shù)量膨脹劑,才能達(dá)到補償收縮的要求,否則將難以達(dá)到抗裂防滲的效果。3.攪拌時間的要求在摻加膨脹劑時,混凝土的攪拌時間應(yīng)延長30s以上。4水泥及骨料的選擇膨脹劑的摻入會使混凝土的早期水化熱提高,為防止或減少混凝土溫度裂縫,在配制補償收縮混凝土?xí)r,水泥用量不宜過大,選擇水泥品種時,宜選擇低水化熱的水泥。骨料的品質(zhì)對配制補償收縮混凝土有很大的影響,主要體現(xiàn)在骨料-砂漿界面粘結(jié)強度、骨料彈性模量和骨料的強度上。如果骨料是碎石,宜基本無棱角,并減少針片狀顆粒的含量,粒徑控制在小于30mm。細(xì)骨料要求使用干凈的河砂。嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量。細(xì)度模數(shù)選用2.6~3.1的中砂為宜。不宜選用砂巖類山砂、海砂,此類砂對硫鋁酸鈣類膨脹混凝土的膨脹率影響非常大。氧化鈣類混凝土膨脹劑

以CaO作為膨脹源，是用石灰石

石膏

粘土作為原材料，在高溫煅燒成含40%-50%游離氧化鈣的膨脹孰料，與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成氫氧化鈣的混凝土膨脹劑。作用機理氧化鈣遇水發(fā)生水化，形成氫氧化鈣：CaO+H20--·Ca(OH)2膨脹過程分兩個階段：首先在水泥水化初期，水泥骨架間隙中生成膠凝狀Ca(OH)2產(chǎn)生第一期膨脹；接著發(fā)生Ca(OH)2的重結(jié)晶開始第二期膨脹，這一過程在石灰水化到Ca(OH)2晶體全部轉(zhuǎn)換為大的異方型六角板狀結(jié)晶后才結(jié)束。從宏觀來看，隨著晶體的轉(zhuǎn)化，體積不斷膨脹。

CaO+H20--·Ca(OH)2這是一個放熱過程，且水化產(chǎn)物的體積將增加近1倍。但由于氧化鈣接觸水后水化十分激烈。且放熱量大，所以生石灰不能直接用作膨脹劑，常將普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨細(xì)而成，一方面起到助磨劑的作用，另一方面在球磨機球磨的過程中使其表面黏附了硬脂酸形成脂膜，這層脂膜有憎水作用，使水不能與石灰顆粒接觸。在水泥水化形成的堿性溶液中，脂膜會發(fā)生皂化反應(yīng)而溶解，石灰顆粒不同部位的脂膜厚度不一樣，其溶解速率也就不一樣，這就控制了石灰與水接觸面的多少，從而控制石灰水化反應(yīng)速率。特性：石灰系膨脹劑由于膨脹速率對溫度、濕度等環(huán)境影響十分敏感而難于控制，生產(chǎn)及使用時間不能間隔過長，保質(zhì)期短而較少用于一般混凝土的補償收縮，目前主要用于設(shè)備灌漿，職稱灌漿料，用于大型基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)灌漿和地腳螺栓的灌漿。硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑是含鈣礬石氧化鈣兩種膨脹源的復(fù)合型膨脹劑與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石和氫氧化鈣的混凝土膨脹劑。鈣礬石的膨脹主要發(fā)生在7d以前，后期膨脹效果較差，而Ca(OH)2的膨脹主要發(fā)生在7d以后，硫鋁酸鈣—氧化鈣類混凝土膨脹劑就是很好的利用這兩種膨脹源的復(fù)合型膨脹劑氧化鎂類膨脹劑與以鈣礬石作為膨脹源的傳統(tǒng)的膨脹劑相比，MgO膨脹劑具有水化需水量少、膨脹過程可調(diào)控、水化產(chǎn)物穩(wěn)定的優(yōu)點，適用于補償大體積混凝土溫降收縮、混凝土自收縮和干燥收縮，可廣泛應(yīng)用于水工建筑、機場道面、公路、地下工程等。作用機理氧化鎂系膨脹劑主要是通過氧化鎂水化生成氫氧化鎂結(jié)晶(水鎂石)而產(chǎn)生膨脹，體積可增加94．o％～123．8％MgO+H20-+Mg(OH)2水泥中MgO產(chǎn)生膨脹的根本原因是MgO的水化。MgO水化時水化產(chǎn)物固相體積增大了118%，但水化產(chǎn)物Mg(OH)2的體積增大不完全等于其在水泥漿體中所產(chǎn)生的體積膨脹，其原因尚未得到合理的解釋。MgO水化產(chǎn)生膨脹的機理存在各種解釋，其中晶體生長壓理論和吸水腫脹理論是兩種典型的機理。吸水腫脹理論認(rèn)為水泥中死燒方鎂石的水化反應(yīng)屬于典型的原地固相反應(yīng)，水化產(chǎn)物體積增大從而引起體積膨脹。晶體生長壓理論認(rèn)為水泥中死燒MgO水化時，在MgO顆粒表面形成以Mg2+與OH-為主要組分的過飽和溶液，過飽和溶液中Mg(OH)2結(jié)晶并生長，產(chǎn)生結(jié)晶壓，從而導(dǎo)致水泥漿體的膨脹