混凝土膨脹劑的補償機理及應用★

馬鉞 李達

(1.陽泉市建筑設計院，山西陽泉 045000;2.山西工程技術學院，山西陽泉 045000)

1 概述

裂縫是導致普通水泥混凝土質量劣化的重要原因，混凝土結構的破壞和倒塌大多也是源于微裂縫的持續擴展。混凝土的微裂主要有三種:1)在骨料周圍出現的骨料與水泥石粘結面上的粘著裂縫;2)水泥石中的裂縫;3)骨料內部的裂縫。混凝土裂縫的主要成因可分為三種:由靜載或動載作用而引起的主要應力或結構次應力引起的裂縫，以及由變形荷載(如溫度、收縮和膨脹、不均勻沉陷等)引起的裂縫。

針對不同原因產生的裂縫，有不同的裂縫預防控制方法，如控制水灰比、選用收縮量較小的水泥、加強養護、減小約束、預留收縮縫、摻外加劑等。其中，在普通混凝土中摻加膨脹劑以形成補償收縮是解決混凝土抗裂性有效而經濟的措施之一。如:柳州市莊承大廈采用了AEA加強型膨脹劑無縫施工方法;AEA膨脹劑在我國重點建設工程錢塘江二橋的C60混凝土得到應用等等。

2 常用膨脹劑的機理及應用探討

混凝土膨脹劑是指與水泥、水拌和后經水化反應生成鈣礬石、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣，使混凝土產生體積膨脹的外加劑。目前，我國常用膨脹劑主要有三種類型:硫鋁酸鈣類(如UEA，AEA，PNC，FS，PPT等)、氧化鈣—硫鋁酸鈣類(如CEA)、氧化鈣類，另外還有氧化鎂類和金屬類，以及復合膨脹劑等。

硫鋁酸鈣類:也稱明礬石膨脹劑，是國內最常用的膨脹劑系列，UEA和AEA使用較多。UEA補償收縮混凝土是一種適度膨脹的混凝土，鈣礬石［KAl(SO4)2·12H2O］是它的膨脹源。

目前，硫鋁酸鈣類膨脹劑存在著以下一些問題:

1)高溫下不穩定;

2)應用于大體積混凝土時，如果混凝土內部溫升過高，可能導致延遲鈣礬石生成;

3)隨著水泥石的水化硬化，尤其是在碳化失水的過程中，鈣礬石還會繼續轉化為最終產物:C3A(CS·CH)H12，該產物會使混凝土的強度倒縮，耐久性(尤其是抗凍性)大大降低，同時也不耐軟水的侵蝕;

4)膨脹劑摻量高(UEA:10%～12%，AEA:8%～10%)，需水率大(0.59)，混凝土終凝后即需要澆水養護，對混凝土養護要求高;

5)對高強、高性能混凝土的收縮補償效果略差;

6)這類膨脹劑大多以明礬石為主要原材料，故含有1%～2%的堿(R2O)，這將增加堿—骨料反應(AAR)的損害。

氧化鈣類:屬于輕燒CaO，又叫石灰型膨脹劑，1970年由日本小野田水泥株式會社開發成功。其膨脹機理之一，是利用輕燒CaO內比表面積大、水化速度快導致水化產物不能及時轉移的特點，使得體系宏觀體積增大;膨脹機理之二，是利用輕燒氧化鈣晶體的水化產生氫氧化鈣晶體，體積增加約90%，以及水化過程中，分散的石灰顆粒表面吸附水分子，從而造成宏觀體積的膨脹。

CaO系列膨脹劑的主要缺點如下:

1)水化形成的氫氧化鈣顆粒間作用力較弱，膠凝性能差;

2)早期膨脹效果好于后期;

3)膨脹效果的穩定性受壓力影響較大。

氧化鈣—硫鋁酸鈣類:又稱CEA，是中國建筑材料科學研究工作者，在20世紀80年代經精心地研究成功的新產品。它吸收日本石灰型膨脹劑和中國明礬石膨脹劑的優點。膨脹來源是過燒石灰和鈣礬石的雙重作用。是用鈣質原料、粘土質原料和鐵質原料制成的生料，然后經過煅燒設備在1 400℃ ～1 450℃的溫度下煅燒粉磨而成，該產品的膨脹性能高，堿含量低，質量穩定，是一種性能優良的膨脹劑。

CEA的使用要求與UEA和AEA類似，要注意混凝土的養護，澆筑完的混凝土不能受陽光直接照射，養護時間不少于14 d，要使混凝土經常保持在潤濕狀態;拆模時間規定與普通混凝土相同，在冬季要適當延長。

氧化鎂類:這類膨脹劑最早由美國的P.K.Mehta教授提出。其膨脹機理是利用MgO水化后其水化產物Mg(OH)2固相體積的增大來補償混凝土體系的體積收縮。

我國對MgO膨脹劑的研究和使用始于20世紀70年代，當時主要利用高鎂水泥中MgO水化后的延遲膨脹來補償水工大壩基礎大體積混凝土溫降收縮，1973年開始施工的吉林白山水電站拱壩即采用了MgO混凝土筑壩技術。以后陸續在東風、青溪、銅街子、銅頭等十幾座大中型水電工程中采用了MgO膨脹劑，技術經濟效益良好。

氧化鎂膨脹劑的原材料——菱鎂礦分布廣泛，成品MgO含量高(90%以上)，質量穩定;在混凝土中的摻量較低(4%～6%)，需水量少，氧化鎂膨脹劑的需水率只有0.45，比硫鋁酸鹽類膨脹劑0.59的需水率要低;膨脹源為單一的Mg(OH)2，其膨脹過程較易控制;而且氧化鎂膨脹劑的含堿量(Na+，K+)很低，有利于混凝土材料堿—骨料反應的預防和控制。氧化鎂膨脹劑的這些特點使它的利用完全可以突破水工混凝土的局限，在各種非水工類土木工程混凝土中得到推廣和應用，尤其是在鋼管混凝土、高強高性能混凝土等低水膠比混凝土或不易養護的混凝土中，摻量低、需水量小、水化產物穩定的氧化鎂類膨脹劑將會有很好的應用前景。

金屬類:在普通混凝土中摻入金屬粉末即形成金屬類膨脹劑。鐵粉、鋁粉、鋅粉、鎂粉等均可作為金屬膨脹劑，以鐵粉使用較多。其膨脹機理以鐵粉為例:將鐵粉和適量的過鉻酸鹽、高錳酸鹽等氧化劑摻入混凝土中，生成Fe2O3和Fe(OH)2等產物后鐵顆粒體積增大，從而產生膨脹效應。

金屬類膨脹劑最先在歐洲和日本提出，在我國主要用于填充用膨脹混凝土或砂漿，摻量一般為水泥質量的30%～35%。由于目前應用不是很多，工程經驗相對較少。

復合膨脹劑:是指用前述的各類膨脹劑再配以化學外加劑而成的產品，可以用來拌制各類用途的泵送混凝土。工程中使用的復合膨脹劑有以下類型:分散性混凝土膨脹劑(摻多孔結構的沸石或者電廠高鋁爐渣)、高能活性混凝土膨脹劑(摻硬石膏、明礬石、緩凝減水劑等)、氟化鹽混凝土膨脹劑(摻廢渣氟石膏、粉煤灰等)、鋼渣水泥膨脹劑及其膨脹水泥、活性膨脹劑(摻硫鋁酸鈣、氯化稀土、硫酸鈉、鋁粉等)、低堿低摻量混凝土膨脹劑(摻鋁粉、碳化鈣為膨脹組分，礬泥作為早強組分，礬渣或者葉蠟石作為增強組分)等等。

ZY高性能高效混凝土膨脹劑:該膨脹劑由旋窯生產的特種膨脹熟料、硅鋁酸鹽熟料與石膏配制而成。ZY與用立窯生產的UEA膨脹劑相比，具有堿含量低、膨脹效能高、施工效果和增強性能好以及質量穩定的特點，是目前國內摻量最低、最先進的硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑。其工作原理是:普通水泥混凝土中拌入ZY和水后，生成的膨脹性結晶水化物(水化硫鋁酸鈣)可在混凝土結構中建立起一定的預壓應力，混凝土硬化時因收縮而產生的拉應力被這一預壓應力所抵消，從而可減輕或避免鋼筋混凝土結構的開裂。

3 膨脹劑應用的思考和建議

1)在混凝土中摻加膨脹劑主要能解決混凝土結構施工期間的裂縫問題，例如，施工后澆帶以及需要二次澆筑的填充類混凝土，不適用于結構使用期間出現過高的溫度變化的情況。

2)潮濕的環境更有利于發揮摻膨脹劑混凝土的補償收縮功能，因此，膨脹劑更適宜用于地鐵及地下構筑物、高層建筑地下室以及隧道、管道等有抗裂防滲要求的構筑物;同理，良好的養護條件和較早的養護開始時間，也是膨脹劑作用正常發揮的重要條件。

3)摻加膨脹劑補償收縮的前提，是要在結構中建立預壓應力，否則不適宜采取摻膨脹劑的抗裂辦法。

4)不同系列的膨脹劑補償機理不同，摻量也不盡相同。要根據不同的結構部位，科學地確定膨脹劑的摻量，以達到最佳的補償收縮效果。

5)明礬石膨脹劑因其高溫不穩定性和碳化失水不穩定性以及較高的含堿量，一般不應在高溫、雨雪侵蝕、凍融循環、干濕交替等條件下使用，也不應單獨用于地下室自防水混凝土。

［1］ 王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［2］ GB 23439—2009，混凝土膨脹劑［S］.

［3］ GBJ 50119—2003，混凝土膨脹劑應用技術規范［S］.

［4］ 安明喆，劉英利.混凝土膨脹劑的研究與應用［J］.建筑技術開發，2001(6):36-38.

［5］ 胡 平，楊 萍.摻氧化鎂混凝土建造高碾壓混凝土重力壩的溫度補償計算方法［J］.中國水利水電科學研究院學報，2004(4):302-306.