对混凝土膨胀剂应用中几个问题的探讨

　　二次钙矾石的形成主要有三个条件必须满足，缺一不可：

 

　　（1）浆体或混凝土含有一定量的硫和铝，它们可来自水泥熟料、混合材、外加剂和集料。水泥熟料中的硫以硫酸钾（钠）、KC₂S₃、CaSO₄的形式存在，少量以包裹体或固流体形式存在于硅酸盐相中，熟料中的硫对膨胀没有显著影响。对于发生二次钙矾石形成的水泥，SO₄含量系数超过3．6%。混合材的掺入降低了水泥的CaO浓度，能减少二次钙矾石形成而造成的膨胀。

 

　　（2）浆体或混凝土中存在钙矾石析出的空间。浆体一集料界面，由碱一集料反应、冻融（冻一盐溶）循环、干湿循环以及超常外荷载产生的裂缝为钙矾石的形成提供了场所。尤其是碱与活性集料间产生的反应必然引发二次钙矾石的形成。如用石灰石代替硅质集料，SEF产生的膨胀会减少，净浆中因没有集料和薄弱环节一界面，很少发生二次钙矾石膨胀，游离氧化镁的存在将促进钙矾石的形成和膨胀。

 

　　（3）浆体或混凝土能得到充足的水供应，水一方面运送参加反应的离子和离子团，另一方面构成钙矾石晶体。长期处在于空气中的混凝土是不可能有二次钙矾石形成的。

 

 

　　钙矾石形成过程中的CaSO₄由石膏提供，ca（OH）₂主要由水泥中C₃S和C₂S水化产生的ca（OH）₂提供，而A1₂O₃则由铝质膨胀组份（如高铝熟料、地开石、偏高龄土、明矾石）提供。正常情况下，水泥中含有5% 一l1%C₃A，但在混凝土塑性阶段这种C₃A很快水化形成钙矾石，几乎对混凝土膨胀与补偿收缩不起作用。所以，必须提供额外的含铝组份，由这些额外的含铝组份生成的钙矾石具有补偿收缩功能。

 

　　一般水泥中含有4%~6%二水石膏作缓凝组分，相应带入约2%~3%的SO₃，故膨胀剂组分应补充2．5% ～3．5%SO₃，才能使水泥石产生补偿收缩所需要的的膨胀值（按胀缩临界值的SO₃为4．78%计算）。

 

　　由水泥水化理论可知，石膏的溶解速度越快，钙矾石形成的速度也趱陕，有效膨胀效能降低。基于上述观点，我国膨胀剂生产时多以含杂质较少，溶解速度较慢的硬石膏（硬石膏中SO ₃>48%）作为膨胀剂含硫组分。

 

　　普通水泥混凝土的干缩率约为4×10^-4，当其干缩应力大于混凝土的抗拉强度时，便导致混凝土构件开裂；另一方面，混凝土的极限延伸率为4×l0^-4，当干缩率超过极限延伸率时，混凝土构件亦会开裂。在混凝土中掺用适量膨胀剂，可补偿混凝土收缩，防止开裂。

 

　　吴中伟在他的《膨胀混凝土》专著中，针对大体积混凝土提出冷缩与干缩的联合补偿模式。由此可知，当降温在早期产生时，湿养下的补偿收缩混凝土正在进行膨胀，直到ε₂—（S₂+S_e）—S_T=0或不超过极限拉伸S_K时，应达到补偿收缩的目的。他指出，由于现行的大体积混凝土的温度控制代价十分高昂，故采用补偿收缩混凝土是控制大体积结构工程裂缝的有效方法。近十多年的工程实践证明，该理论是正确的。

 

　　但必须指出，钢筋混凝土结构进入使用状态后，仍受到环境温度和湿度变化的作用，结构产生的温度应力仍可能出现微裂，因此，地下室及时回填土和地上结构要尽早封闭围墙是防止后期裂缝出现的重要措施。如果不及时维护，在气温骤然下降时，往往出现温差裂缝。对此，补偿收缩混凝土是无能为力的。

 

 

　　限制膨胀率ε_p是膨胀混凝土设计中非常重要的参数，也是建筑结构抗渗防裂设计的重要参数。工程设计人员和材料工程师都十分关注ε_poε_p数值大，表示膨胀值高，其补偿收缩、抗渗防裂的能力就强；反之，ε_p数值小，抗渗其防裂的能力就弱。目前，在设计地下室、地下铁道、无缝路面时，ε₂已被作为一项重要指标提出。

 

　　前面已经介绍，混凝土干缩约为0．04%，混凝土极限延伸率为0．02%，若同时考虑自收缩和冷缩，则限制膨胀率至少应介于0．02%和0．04%之间，而其最大值应不超过0．1%。

 

　　吴中伟在《膨胀混凝土》一书中提出，实践证明经过14d潮湿养护的限制膨胀率ε_p=0．03%~0．05%的补偿收缩混凝土是可行的。美国规范则规定补偿收缩混凝土经7d潮湿养护达到的限制膨胀率为0．03%~ 0．1%。

 

　　上述限制膨胀率指标对补偿收缩混凝土建筑物的防裂具有极其重要的作用，因为补偿收缩混凝土经7~14d的潮湿养护达到设计的限制膨胀率后，就进入了使用状态，依靠达到的限制膨胀率和自应力值，来补偿此后的各种收缩，使结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，从而控制裂缝的出现，达到防止开裂，提高抗渗能力的目的。

 

　　补偿收缩的通式为　ε_p一ΣS _m=D

　　式中ΣS_m 是各种收缩之和，D为补偿收缩的最终变形，即剩余变形。在补偿干缩时ΣS_m只限于干缩率S_do在同时要补偿干缩S_d和冷缩S_i时。

ΣS_m =S_d+S_io

 

　　在不允许出现拉应力的构件中D≥0，在不允许出现开裂的构件中D≤ ︱S_k︱；S_k 为混凝土的极限延伸值，即混凝土构件出现可见裂缝时的最大应变（其值为负），可取值为0．02%（负值）。如某具有抗渗防裂要求的混凝土工程，采用低水胶比混凝土，根ΣS_m 为0．05%，S_k 等于0．02（负值）， 因为：

 

　　　　ε_p一ΣS_m =S_k

　　则ε_p一0．05%=0．02%因此ε_p =0．03%。

 

 

　　1992年，中国建材院最先提出了UEA补偿收缩混凝土超长结构无缝设计和施工新方法。混凝土结构无缝设计、施工是以掺膨胀剂的补偿收缩混凝土为结构材料，以加强带取代后浇带，连续浇筑超长混凝土结构的一种新技术。该技术所采用的加强带宽2rn，带两侧架设密孔钢丝网，并用钢筋加固，防止混凝土流入加强带内。适当增加带内温度钢筋。施工时先浇带外混凝土，浇到加强带时改用大掺量膨胀剂的混凝土。由于膨胀作用会使混凝土强度降低，因而带内混凝土等级要比两侧提高5MPa。加强带混凝土浇筑后要特别注意加强养护。如此循环施工可连续浇筑100~150m的超长结构。膨胀加强带的设计一般根据外约束情况的强弱而确定。一般每隔20m~40m左右设置一条，宽度2000mm~3000mm，设置在温度收缩应力较大的部位，如变截面、钢筋变化等部位。在加强带的两侧设置一层孔径Ф5mrn钢丝网，并200mm~300mrn设一根竖向Ф16rnrn的钢筋予以加固，其上下均应留有保护层，钢丝与钢丝网、上下水平钢筋及竖向加固筋必须绑扎牢固，不得松动，以免浇筑混凝土时被冲开，造成两种混凝土混合，影响加强带的效果。

 

 

　　将混凝土含碱量3kg／m³ 作为安全界限已被许多国家采用。在外加剂品种中，掺量最大的是混凝土膨胀剂（一般与减水类外加剂复合掺用），可达到胶凝材料用量的10% ~15% （通常为8% ~10%）。由此，作者认为，外加剂引入混凝土中的碱应不大于10% ~15% ×3kg／m³ 即0．30—0．45kg／m³。这一计算结果的下限值与日本规范相同。

 

 

　　本文是作者的经验之谈，可能存在一定的片面性，希望能够起抛砖引玉的作用，更希望和同行进行交流，以提升我国混凝土膨胀剂的应用水平。