浅谈膨胀剂在混凝土中的作用机理与应用要点
发布时间：
2023-04-04 16:34
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在建筑工程中，混凝土结构开裂、渗水现象层出不穷，而建筑结构开裂轻则影响美观、重则影响建筑安全。由于水泥用量增加、强度要求、工程条件要求提高、施工养护不到位等因素的影响，混凝土结构裂缝的产生无可避免。目前，工程中能做的仅是将裂缝控制在无害范围内。对于裂缝控制措施，某学者提出混凝土结构中80%～90%的裂缝都是在变形过程中产生的，一般可采用预留变形缝后浇带或采用“跳仓法”施工来减少变形开裂问题。吴中伟等図提出采用膨胀水泥或膨胀剂配制而成可产生适度体积膨胀的补偿收缩混凝土可避免或减少混凝土的开裂。R.Springenschmid]通过开裂架试验机多次试验也证明了使用膨胀剂可以将混凝土的开裂敏感性降低至零。
1. 混凝土开裂原因
建筑工程中的混凝土开裂原因多种多样，涵盖结构设计、施工养护、原材料等方面。裂缝成因主要是混凝土在硬化过程中受到荷载、变形以及混合作用时会产生拉应力，当混凝土内部的拉应力超过混凝土自身的极限拉伸应力时裂缝就会产生切。其中，变形作用导致的非结构裂缝占据了80%，而这80%的非结构裂缝中又有大半是由于混凝土收缩(如自身收缩、塑性收缩、干燥收缩、温度收缩等)引起。
对于非结构裂缝的控制没有详细的技术规范可以参照，工程中一般是采用设计变形缝或采用“跳仓法”施工来解决，但这样会延长工期，同时会增加清理费用。大量工程应用证明，最有效的办法是利用补偿收缩混凝土进行裂缝控制。
2. 膨胀剂作用机理与应用要点
混凝土膨胀剂是指加到混凝土中后能使混凝土产生体积膨胀从而补偿混凝土收缩的外加剂。混凝土膨胀剂按其膨胀组分不同可分为硫铝酸钙类、CaO类、MgO类、硫铝酸钙-氧化钙类以及钙镁复合类等。由于膨胀组分不同，其膨胀性能也有区别，目前接受较为广泛的膨胀剂作用机理有结晶生长理论、吸水肿胀理论以及固相体积增大理论。
2.1硫铝酸钙类膨胀剂
硫铝酸钙类膨胀剂起到膨胀效果主要是通过硫铝酸钙参与水化生成的产物钙矶石(C3A-3CaSO4-32H2O)来实现的。现有研究〔“句认为:钙矶石的晶体生长压力和吸水肿胀力的共同作用是其产生膨胀的根本原因，吸水肿胀力占据主要作用。基于上述理论可知，钙矶石水化反应需水量很大，其在低水灰比的高强混凝土工程中的应用会受到限制；此外需对掺有硫铝酸钙类膨胀剂的混凝土养护进行严格控制，如果养护不到位，不仅起不到补偿收缩的作用，而且会提高开裂的可能性。同时，钙矶石在湿热环境中会发生分解从而影响强度和耐久性，因此，在实际工程中需要特别关注硫铝酸钙类膨胀剂使用时的环境温度。
2.2氧化钙类膨胀剂
氧化钙类膨胀剂的膨胀机理是氧化钙(CaO)水化生成氢氧化钙Ca(OH)2在固相体积增大的同时，水化产物局部堆积致使孔隙体积增大，综合作用引起浆体体积膨胀与以钙矶石为膨胀组分的膨胀剂相比，氧化钙类膨胀剂具有需水量少、膨胀效能高、生产成本低等特点，应用领域更为广泛。不过，CaO遇水即发生放热反应，不利于混凝土温度裂缝的控制；且存在水化速率过快，大量膨胀会在混凝土塑性阶段立即被消耗这一问题，对混凝土中后期收缩起不到补偿作用。同时，CaO对环境湿度比较敏感，因此，对包装要求也较高，需要严防受潮从而避免膨胀效能降低。此外，Ca(OH)2在一定水压作用下易溶解，因此，在修建水下工程时，需要谨慎使用氧化钙类膨胀剂。
2.3氧化镁类膨胀剂
氧化镁类膨胀剂的膨胀作用是通过氧化镁(MgO)水化生成氢氧化镁(Mg(OH)2)时体积变化产生，其膨胀源动力来自水化早期Mg(OH)2的吸水肿胀力和水化后期Mg(OH)2的结晶生长压力。大量研究与工程证明切：氧化镁类膨胀剂具有延迟性膨胀及膨胀周期长的特性，可有效补偿混凝土温降阶段产生的温度收缩以及干燥收缩，且力学性能稳定。此外，氧化镁类膨胀剂还具有水化需水量少、水化产物稳定、膨胀性能可调控等特点，广泛适用于大坝等大体积混凝土工程。在实际工程中，可综合混凝土强度等级、结构尺寸、施工环境等因素，采用镁质高性能混凝土抗裂剂或不同活性(R型、M型、S型)的氧化镁膨胀剂来补偿混凝土收缩，从而有效实现混凝土全周期裂缝控制、简化温控措施。不过使用氧化镁类膨胀剂时需注意使用掺量，掺量过大则可能产生过度膨胀，引起混凝土体积安定性不良问题。
2.4双膨胀源类膨胀剂
目前市面上较为常见的双膨胀源膨胀剂有硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂(如HCSA、CSA、FQY等产品)以及钙镁复合膨胀剂等。
（1）硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的膨胀源为钙矶石和Ca(OH)2，在混凝土中发挥膨胀作用时，Ca(OH)2补偿早期收缩，钙矶石则补偿中后期收缩；通过在不同阶段的膨胀能有效发挥，从而实现良好的补偿收缩效果。与单一膨胀源的膨胀剂相比，硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂具有膨胀量大、需水量少、膨胀稳定期早等特点，可广泛适用于混凝土结构自防水、超长结构无缝施工结构等工程。
（2）钙镁复合膨胀剂是以轻烧氧化镁组分与氧化钙组分复合制成，其膨胀源为Ca(OH)2和Mg(OH)2，其是利用氧化钙水化速率快、氧化镁水化速率慢的特征来调整复合膨胀剂的膨胀速率，以实现分阶段、全周期补偿混凝土收缩的目的。同时，钙镁复合膨胀剂克服了单一氧化钙膨胀剂的温度敏感性缺陷，在工程中对温控措施要求不高。
3. 结语
随着建筑材料的高强化、超细化，以及商品混凝土的快速发展，建筑工程中的混凝土结构因收缩变形开裂导致建筑渗水的现象日趋增加，对于这一现象，工程中可以从结构设计、材料、施工等方面进行裂缝控制及预防。比如，在结构设计时着重考虑变形效应如温度变化、收缩作用等，通过设置滑动层减少约束度及降低温度应力，通过设置后浇带、采用“跳仓法”施工或者合理配筋等措施以减少收缩应力；在材料层面可以掺加膨胀剂、纤维等提高混凝土的抗裂性；在施工中通过严格养护来预防干燥收缩开裂和温度收缩开裂。不过，从施工性能、经济效益来看，应用掺加性能良好且作用机理合适的膨胀剂配制的补偿收缩混凝土的抗裂效果更为明显，其在保证强度的基础上，可以减少裂缝，提高混凝土结构的耐久性，应用前景十分广泛。
混凝土外加剂,膨胀剂
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