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(shí)，隨之體積膨脹，起補(bǔ)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(guò)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(kāi)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(kāi)裂,將會(huì)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(chǎng)、地下倉(cāng)庫(kù)、隧道、礦井、人防工程、基坑等；水池、游泳池、水塔、儲(chǔ)罐、大型容器、糧倉(cāng)、油罐、山洞內(nèi)倉(cāng)庫(kù)等；高強(qiáng)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(jī)械設(shè)備的地腳螺絲、機(jī)座與混凝土基礎(chǔ)之間的無(wú)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(chǎng)看臺(tái)、城市雕塑、博物館、賓館等;建造高強(qiáng)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(guó)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(guó)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(kāi)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(xiě)的《補(bǔ)償收縮混凝土》專著出版，這是我國(guó)科學(xué)界首次提出補(bǔ)償收縮混凝土理論。1985年，在吳中偉院士的指導(dǎo)下，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院研制成功UEA、AEA、CEA等多個(gè)型號(hào)混凝土膨脹劑。

20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)的P.K.Mehta等為解決大體積混凝土溫差裂縫問(wèn)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(guó)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(shí)施。2009年，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB23439-2009《混凝土膨脹劑》頒布實(shí)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(huì)社（DENKA）的同類產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)性能占優(yōu)，深受行業(yè)認(rèn)同。四丶膨脹劑對(duì)混凝土性能的影響對(duì)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(duì)混凝土凝結(jié)時(shí)間的影響對(duì)混凝土的凝結(jié)時(shí)間影響不大，這是因?yàn)榕蛎泟┑慕M分一般要在水泥水化硬化以后才開(kāi)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(shí)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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響摻膨脹劑的混凝土一般早期抗壓強(qiáng)度有所增長(zhǎng)，但后期抗壓強(qiáng)度與膨脹劑摻量關(guān)系較大。對(duì)于自由膨脹的混凝土，當(dāng)膨脹劑摻量較大時(shí)往往導(dǎo)致混凝土后期抗壓強(qiáng)度有所降低。但是對(duì)于受約束作用的混凝土，即使膨脹劑摻量較大時(shí)，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(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度增加。對(duì)混凝土強(qiáng)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(duì)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(shí)摻加膨脹劑和減水劑的混凝土，有時(shí)坍落度損失過(guò)快，以至于無(wú)法滿足運(yùn)輸需求。對(duì)混凝土抗?jié)B性、抗凍性的影響對(duì)于自由膨脹的混凝土，膨脹劑摻量較低時(shí)，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(shí)作用，對(duì)于提高混凝土抗?jié)B性很有幫助。但是當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)，過(guò)高的膨脹能會(huì)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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)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(qiáng)混凝土的振搗，比普通混凝土振搗更密實(shí)。④科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)方式，澆筑前7天加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，每天上午10點(diǎn)到下午4點(diǎn)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(guò)多養(yǎng)護(hù)。嚴(yán)格結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)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(guò)高的砂石生產(chǎn)混凝土，不宜過(guò)早對(duì)混凝土荷載。六丶適用范圍用途適用范圍補(bǔ)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(bǔ)強(qiáng)、滲漏修補(bǔ)、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(jī)械設(shè)備的底座灌漿、地腳螺栓的固定、梁柱接頭、構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)、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(zhǎng)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(bǔ)償收縮混凝土剛性屋面宜用于南方地區(qū)，其設(shè)計(jì)、施工應(yīng)按《屋面工程質(zhì)量驗(yàn)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(bǔ)償收縮混凝土的性能填充用膨脹混凝土的性能項(xiàng)目限制膨脹率（×10-4）限制干縮率（×10-4）抗壓強(qiáng)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(xiàng)目限制膨脹率（×10-4）限制干縮率（×10-4）抗壓強(qiáng)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(dòng)度（mm）豎向膨脹率（×10-4）抗壓強(qiáng)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(jī)理硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見(jiàn)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(duì)鈣礬石的膨脹機(jī)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(zhǎng)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(huì)吸附大量的水腫脹，而不是鈣礬石形成過(guò)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(guò)程中也發(fā)現(xiàn)若干問(wèn)題,主要表現(xiàn)為混凝土開(kāi)裂、未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的膨脹率、強(qiáng)度不足等。要解決這些問(wèn)題,需要從原材料、配合比、現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)等諸多方面進(jìn)行控制,主要有以下幾點(diǎn)：1.對(duì)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(shí),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(chǎng)站宜對(duì)砂、石骨料采取遮陽(yáng)、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?yàn)樵跐仓?~7d內(nèi)是膨脹變形的主要階段,應(yīng)特別加強(qiáng)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(jì)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(bǔ)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(shí)間的要求在摻加膨脹劑時(shí),混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)30s以上。4水泥及骨料的選擇膨脹劑的摻入會(huì)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(bǔ)償收縮混凝土?xí)r,水泥用量不宜過(guò)大,選擇水泥品種時(shí),宜選擇低水化熱的水泥。骨料的品質(zhì)對(duì)配制補(bǔ)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(qiáng)度、骨料彈性模量和骨料的強(qiáng)度上。如果骨料是碎石,宜基本無(wú)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(duì)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(jī)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(guò)程分兩個(gè)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(kāi)始第二期膨脹，這一過(guò)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(lái)看，隨著晶體的轉(zhuǎn)化，體積不斷膨脹。

CaO+H20--·Ca(OH)2這是一個(gè)放熱過(guò)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(jī)球磨的過(guò)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(huì)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(duì)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(shí)間不能間隔過(guò)長(zhǎng)，保質(zhì)期短而較少用于一般混凝土的補(bǔ)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(guò)程可調(diào)控、水化產(chǎn)物穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適用于補(bǔ)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(jī)場(chǎng)道面、公路、地下工程等。作用機(jī)理氧化鎂系膨脹劑主要是通過(guò)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(shí)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(jī)理存在各種解釋，其中晶體生長(zhǎng)壓理論和吸水腫脹理論是兩種典型的機(jī)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(zhǎng)壓理論認(rèn)為水泥中死燒MgO水化時(shí)，在MgO顆粒表面形成以Mg2+與OH-為主要組分的過(guò)飽和溶液，過(guò)飽和溶液中Mg(OH)2結(jié)晶并生長(zhǎng)，產(chǎn)生結(jié)晶壓，從而導(dǎo)致水泥漿體的膨脹