混凝土膨胀剂详解

混凝土膨胀剂•一种新型混凝土外加剂，加在水泥中，当水泥凝结硬化时，随之体积膨胀，起补偿收缩和产生一定预应力以及充分填充水泥间隙的作用水泥在水化过程中,由于化学反应和热力学反应所引起的体积收缩,将会导致混凝土结构产生收缩开裂,这是混凝土材料的致命缺点。特别是在防水工程如地下、水工、海工、地铁、隧道、水电、超长钢筋混凝土结构工程以及二次灌注工程中产生结构开裂,将会造成严重的质量缺陷，由此引出了膨胀剂的使用。一丶分类（按成份）硫铝酸钙类混凝土膨胀剂氧化钙类混凝土膨胀剂硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂氧化镁类复合纤维类二丶具体用途地下建筑物：如地铁、地下停车场、地下仓库、隧道、矿井、人防工程、基坑等；水池、游泳池、水塔、储罐、大型容器、粮仓、油罐、山洞内仓库等；高强度公路路面、桥梁混凝土面层、涵洞等；预制构件、框架结构接头的锚接、管道接头、后张预制构件的灌浆材料、后浇缝的回填、岩浆灌浆材料；水泥制品：自应力、预应力与钢套预应力混凝土水管、楼板、柱、梁柱、防水屋面板等；机械设备的地脚螺丝、机座与混凝土基础之间的无收缩灌注；铸铁管、钢管的内衬防护砂浆；自防水刚性屋面、砂浆防渗层、砂浆防潮层等；体育场看台、城市雕塑、博物馆、宾馆等;建造高强度、高抗渗竖井、大坝回槽填充混凝土。三丶发展历程1936年，美国科学家使用钙矾石类（即硫铝酸钙类）膨胀剂配制自应力混凝土。1958年，美国人A.克莱因研制成功了一种硫铝酸盐型水泥，取名K水泥，并取得了膨胀水泥的专利。1970年，日本小野田公司还成功开发了石灰系膨胀剂，即为氧化钙类膨胀剂。1979年，吴中伟先生撰写的《补偿收缩混凝土》专著出版，这是我国科学界首次提出补偿收缩混凝土理论。1985年，在吴中伟院士的指导下，中国建筑材料科学研究总院研制成功UEA、AEA、CEA等多个型号混凝土膨胀剂。20世纪90年代后期，美国的P.K.Mehta等为解决大体积混凝土温差裂缝问题，提出了在水泥中掺入5%MgO的设想，并由此诞生了氧化镁类膨胀剂。2001年，国内严格意义上第一部相关标准建材行业标准JC476-2001《混凝土膨胀剂》颁布实施。2009年，国家标准GB23439-2009《混凝土膨胀剂》颁布实施。2011年，由建筑材料科学研究总院与武汉三源特种建材有限责任公司合作研发的FQY高性能膨胀剂面世，该产品经与日本电气化学工业株式会社（DENKA）的同类产品进行对比，各项性能占优，深受行业认同。四丶膨胀剂对混凝土性能的影响对混凝土膨胀率的影响（1）膨胀剂掺量越大，混凝土的膨胀能越大。（2）混凝土配筋率越大，膨胀率越小。对混凝土凝结时间的影响对混凝土的凝结时间影响不大，这是因为膨胀剂的组分一般要在水泥水化硬化以后才开始产生作用。但是掺硫铝酸钙类膨胀剂的混凝土其凝结时间一般要比不掺者虽短20-60min,原因是硫铝酸钙类膨胀剂中含有石膏组分和铝酸盐组分，促进了水泥的水化。对混凝土强度的影响掺膨胀剂的混凝土一般早期抗压强度有所增长，但后期抗压强度与膨胀剂掺量关系较大。对于自由膨胀的混凝土，当膨胀剂掺量较大时往往导致混凝土后期抗压强度有所降低。但是对于受约束作用的混凝土，即使膨胀剂掺量较大时，由于混凝土的膨胀能受到钢筋的约束，使得混凝土的内部结构更加密实，混凝土抗压强度增加。对混凝土强度的影响膨胀结束后的膨胀混凝土，其收缩与徐变值与普通混凝土相似。但是在限制条件下，膨胀混凝土的干缩值略低于普通混凝土。对混凝土和易性的影响掺膨胀剂的混凝土，一般需水量稍大，拌合物黏聚性较好，保水性优良。但是掺加膨胀剂的混凝土一般（并不是所有）坍落度损失较快，尤其是同时掺加膨胀剂和减水剂的混凝土，有时坍落度损失过快，以至于无法满足运输需求。对混凝土抗渗性、抗冻性的影响对于自由膨胀的混凝土，膨胀剂掺量较低时，膨胀产物主要填充混凝土内部毛细孔和大孔，起到密实作用，对于提高混凝土抗渗性很有帮助。但是当掺量过大时，过高的膨胀能会导致混凝土内部出现微裂纹，反而使混凝土抗渗性下降。由于混凝土抗渗性提高，掺膨胀剂可以同时改善混凝土抗冻性五丶正确使用方法科学合理使用膨胀剂，有以下几个重要因素：①科学合理选定膨胀剂掺量，选用膨胀剂必须在对应混凝土搅拌站进行适配。适配的目的主要在于：根据设计膨胀率指标确定合理的用量与掺入方法。掺入方法通常有外掺、内掺取代部分矿物掺合料这两种方式。②控制混凝土浇筑入模的温度，一般在30±5℃范围较为合理。③加强混凝土的振捣，比普通混凝土振捣更密实。④科学合理的养护方式，浇筑前7天加强养护，每天上午10点到下午4点之间应不少于5次洒水，第8-14天每天上午下午各养护一次。夜间不宜进行洒水养护，冬季不宜进行过多养护。严格结合温度监测进行养护十分重要，牢记“升温阶段降温，降温阶段保温”的温控原则。⑤不宜选用含泥量过高的砂石生产混凝土，不宜过早对混凝土荷载。六丶适用范围用途适用范围补偿收缩混凝土地下、水中、海水中、隧道等构筑物，大体积混凝土（除大坝外），配筋路面和板、屋面与厕浴间防水、构件补强、渗漏修补、预应力混凝土、回填槽等填充用膨胀剂混凝土结构后浇带、隧洞堵头、钢管与隧道之间的填充等。灌浆用膨胀砂浆机械设备的底座灌浆、地脚螺栓的固定、梁柱接头、构件补强、加固等。自应力混凝土仅用于常温下使用的自应力钢筋混凝土压力管。含硫铝酸钙类、硫铝酸鲺-氧化钙类膨胀剂的混凝土（砂浆）不得用于长期环境温度为80℃以上的工程。含氧取化钙类膨胀剂配制的混凝土（砂浆）不得用于海水或有侵蚀性水的工程。掺膨胀剂的混凝土适用于钢筋混凝土工程和填充性混凝土工程。掺膨胀剂的大体积混凝土，其内部最高温度应符合有关标准的规定，混凝土内外温差宜小于25℃。掺膨胀剂的补偿收缩混凝土刚性屋面宜用于南方地区，其设计、施工应按《屋面工程质量验收规范》GB50207执行。七丶掺膨胀剂混凝土（砂浆）的性能力要求补偿收缩混凝土的性能填充用膨胀混凝土的性能项目限制膨胀率（×10-4）限制干缩率（×10-4）抗压强度（MPa）龄期水中14d水中14d，空气中28d28d性能指标≥1.5≤3.0≥2.5项目限制膨胀率（×10-4）限制干缩率（×10-4）抗压强度（MPa）龄期水中14d水中14d，空气中28d28d性能指标≥2.5≤3.0≥30硫铝酸钙类混凝土膨胀剂与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石的混凝土膨胀剂。其主要成份是:CaO、SO3、Al2O3组成的化合物的混合物。一丶作用机理硫铝酸盐系膨胀剂是工程中最常见的膨胀剂，其品种很多，主要包括CSA膨胀剂和明矾石膨胀剂，产生膨胀能的原因是由于硫铝酸钙水化物(钙矾石)的生成，其反应通式为：6CaO+3A12o3+3So3+96H2o——3Cao·A12o3·3CaS04·32H2o对钙矾石的膨胀机理，主要存在两种理论：即结晶膨胀和胶体吸水膨胀。米哈依洛夫认为膨胀是由于钙矾石的晶体长大而产生晶体压力所至。Mehta认为，钙矾石的膨胀是由于其表面带电负性，胶状钙矾石比表面积打及特殊的晶格结构，在饱和Ca(OH)2溶液中会吸附大量的水肿胀，而不是钙矾石形成过程中产生膨胀。二丶使用要求但是在硫铝酸钙类膨胀剂推广使用过程中也发现若干问题,主要表现为混凝土开裂、未达到设计要求的膨胀率、强度不足等。要解决这些问题,需要从原材料、配合比、现场养护等诸多方面进行控制,主要有以下几点：1.对混凝土养护条件的要求夏天在大体积混凝土需用硫铝酸钙类膨胀剂时,需考虑有效的降温措施。通常采取的措施有减少水泥用量,降低混凝土浇筑块体的温度升高;优先采用水化热低的水泥配制大体积混凝土以及炎热季节浇筑大体积混凝土时,混凝土搅拌场站宜对砂、石骨料采取遮阳、降温措施等等。膨胀剂加入到混凝土中,拌水后生成大量的膨胀结晶体钙矾石(C3A·3CaSO4·32H2O),膨胀结晶体钙矾石的生成需要水,因为在浇筑后1~7d内是膨胀变形的主要阶段,应特别加强浇水养护,7~14d仍需湿养护,以保证此期间混凝土表湿连续充足,确保膨胀率能达到设计预期的峰值,充分发挥混凝土的膨胀效应。2.膨胀剂选用及掺量的控制在合格的硫铝酸钙类膨胀剂中,产品的性能也不尽相同,有的膨胀剂虽然膨胀率高,但干燥收缩率很大,存在膨胀与收缩“落差”太大的现象。膨胀剂掺量的高低,应根据不同结构部位,科学地掺入不同数量膨胀剂,才能达到补偿收缩的要求,否则将难以达到抗裂防渗的效果。3.搅拌时间的要求在掺加膨胀剂时,混凝土的搅拌时间应延长30s以上。4水泥及骨料的选择膨胀剂的掺入会使混凝土的早期水化热提高,为防止或减少混凝土温度裂缝,在配制补偿收缩混凝土时,水泥用量不宜过大,选择水泥品种时,宜选择低水化热的水泥。骨料的品质对配制补偿收缩混凝土有很大的影响,主要体现在骨料-砂浆界面粘结强度、骨料弹性模量和骨料的强度上。如果骨料是碎石,宜基本无棱角,并减少针片状颗粒的含量,粒径控制在小于30mm。细骨料要求使用干净的河砂。严格按标准控制砂中云母含量、硫化物含量、含泥量。细度模数选用2.6~3.1的中砂为宜。不宜选用砂岩类山砂、海砂,此类砂对硫铝酸钙类膨胀混凝土的膨胀率影响非常大。氧化钙类混凝土膨胀剂以CaO作为膨胀源，是用石灰石石膏粘土作为原材料，在高温煅烧成含40%-50%游离氧化钙的膨胀孰料，与水泥、水拌和后经水化反应生成氢氧化钙的混凝土膨胀剂。作用机理氧化钙遇水发生水化，形成氢氧化钙：CaO+H20--·Ca(OH)2膨胀过程分两个阶段：首先在水泥水化初期，水泥骨架间隙中生成胶凝状Ca(OH)2产生第一期膨胀；接着发生Ca(OH)2的重结晶开始第二期膨胀，这一过程在石灰水化到Ca(OH)2晶体全部转换为大的异方型六角板状结晶后才结束。从宏观来看，随着晶体的转化，体积不断膨胀。CaO+H20--·Ca(OH)2这是一个放热过程，且水化产物的体积将增加近1倍。但由于氧化钙接触水后水化十分激烈。且放热量大，所以生石灰不能直接用作膨胀剂，常将普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨细而成，一方面起到助磨剂的作用，另一方面在球磨机球磨的过程中使其表面黏附了硬脂酸形成脂膜，这层脂膜有憎水作用，使水不能与石灰颗粒接触。在水泥水化形成的碱性溶液中，脂膜会发生皂化反应而溶解，石灰颗粒不同部位的脂膜厚度不一样，其溶解速率也就不一样，这就控制了石灰与水接触面的多少，从而控制石灰水化反应速率。特性：石灰系膨胀剂由于膨胀速率对温度、湿度等环境影响十分敏感而难于控制，生产及使用时间不能间隔过长，保质期短而较少用于一般混凝土的补偿收缩，目前主要用于设备灌浆，职称灌浆料，用于大型基础设施的基础灌浆和地脚螺栓的灌浆。硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂是含钙矾石氧化钙两种膨胀源的复合型膨胀剂与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石和氢氧化钙的混凝土膨胀剂。钙矾石的膨胀主要发生在7d以前，后期膨胀效果较差，而Ca(OH)2的膨胀主要发生在7d以后，硫铝酸钙—氧化钙类混凝土膨胀剂就是很好的利用这两种膨胀源的复合型膨胀剂氧化镁类膨胀剂与以钙矾石作为膨胀源的传统的膨胀剂相比，MgO膨胀剂具有水化需水量少、膨胀过程可调控、水化产物稳定的优点，适用于补偿大体积混凝土温降收缩、混凝土自收缩和干燥收缩，可广泛应用于水工建筑、机场道面、公路、地下工程等。作用机理氧化镁系膨胀剂主要是通过氧化镁水化生成氢氧化镁结晶(水镁石)而产生膨胀，体积可增加94．o％～123．8％MgO+H20-+Mg(OH)2水泥中MgO产生膨胀的根本原因是MgO的水化。MgO水化时水化产物固相体积增大了118%，但水化产物Mg(OH)2的体积增大不完全等于其在水泥浆体中所产生的体积膨胀，其原因尚未得到合理的解释。MgO水化产生膨胀的机理存在各种解释，其中晶体生长压理论和吸水肿胀理论是两种典型的机理。吸水肿胀理论认为水泥中死烧方镁石的水化反应属于典型的原地固相反应，水化产物体积增大从而引起体积膨胀。晶体生长压理论认为水泥中死烧MgO水化时，在MgO颗粒表面形成以Mg2+与OH-为主要组分的过饱和溶液