混凝土膨脹劑

1、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，隨之體積膨脹，起補(bǔ)償收縮和產(chǎn)生一定預(yù)結(jié)硬化時，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應(yīng)力以及充分填充水泥間隙的作用 l水泥在水化過程中,由于化學(xué)反應(yīng)和熱力學(xué) 反應(yīng)所引起的體積收縮,將會導(dǎo)致混凝土結(jié) 構(gòu)產(chǎn)生收縮開裂,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 裂,將會造成嚴(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）一丶分類（按成份） l硫鋁酸鈣類混

2、凝土膨脹劑 l氧化鈣類混凝土膨脹劑 l硫鋁酸鈣氧化鈣類混凝土膨脹劑 l氧化鎂類 l復(fù)合纖維類 二丶具體用途二丶具體用途 l地下建筑物：如地鐵、地下停車場、地下倉庫、隧道、 礦井、人防工程、基坑等； l水池、游泳池、水塔、儲罐、大型容器、糧倉、油罐、 山洞內(nèi)倉庫等； l高強(qiáng)度公路路面、橋梁混凝土面層、涵洞等； l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； l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； l機(jī)械設(shè)備的地腳螺絲、機(jī)座與混凝土基礎(chǔ)之間的無收縮 灌注； l鑄鐵管、鋼管的內(nèi)襯防護(hù)砂漿； l自防水剛性屋面

3、、砂漿防滲層、砂漿防潮層等； l體育場看臺、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)展歷程三丶發(fā)展歷程 l1936年，美國科學(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。 l1958年，美國人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。 l1970年，日本小野田公司還成功開發(fā)了石灰系膨脹劑， 即為氧化鈣類膨脹劑。 l1979年，吳中偉先生撰寫的補(bǔ)償收縮混凝土專著出 版，這是我國科學(xué)界首次提出補(bǔ)償收縮混凝土理論。 l1985年，在吳中偉院士的指導(dǎo)下，中國建筑材料科學(xué)研 究總院研制成功UEA、AEA、CEA等多個

4、型號混凝土膨脹 劑 。 l20世紀(jì)90年代后期，美國的P.K.Mehta等為解決大體積混 凝土溫差裂縫問題，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。 l2001年，國內(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施。 l2009年，國家標(biāo)準(zhǔn)GB23439-2009混凝土膨脹劑頒布 實施。 l2011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)株式會社（DENKA）的同類產(chǎn)品進(jìn) 行對比，各項性能占優(yōu)，深受行業(yè)認(rèn)同。 四丶膨脹劑對混凝土性能的影響四丶膨脹劑對混凝土性

5、能的影響 l對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。 l對混凝土凝結(jié)時間的影響 對混凝土的凝結(jié)時間影響不大，這是因為膨脹劑的組分一 般要在水泥水化硬化以后才開始產(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。 l對混凝土強(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，但后期抗 壓強(qiáng)度與膨脹劑摻量關(guān)系較大。對于自由膨脹的混凝土， 當(dāng)膨脹劑摻量較大時往往導(dǎo)致混凝土后期抗壓強(qiáng)度有所降 低。但是對于受約束作用的混凝土，即

6、使膨脹劑摻量較大 時，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，混凝土抗壓強(qiáng)度增加。 對混凝土強(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。 l對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，尤其是同時摻加膨脹劑和減水劑的混凝 土，有時坍落度損失過快，以至于無法滿足運(yùn)輸需求。 對混凝土抗?jié)B性、抗凍性的影響 對于自由膨脹的混凝土，膨脹劑摻量較低時，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

7、作用，對于提 高混凝土抗?jié)B性很有幫助。但是當(dāng)摻量過大時，過高的膨 脹能會導(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，摻膨脹劑可以同時改善 混凝土抗凍性 五丶正確使用方法五丶正確使用方法 l科學(xué)合理使用膨脹劑，有以下幾個重要因素： l 科學(xué)合理選定膨脹劑摻量，選用膨脹劑必須在對應(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 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。 l 控制混凝土澆筑入模的溫度，一般在305范圍較 為合理。 l 加強(qiáng)混凝土的振搗，比普通混凝土振搗更密實。 l 科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)方式，澆筑前7天

8、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)行過多養(yǎng)護(hù)。嚴(yán)格結(jié)合溫度監(jiān)測進(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。 l 不宜選用含泥量過高的砂石生產(chǎn)混凝土，不宜過早對 混凝土荷載。 六丶適六丶適 用用 范范 圍圍 用用 途途適適 用用 范范 圍圍 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)

9、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。 l含硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鲺-氧化鈣類膨脹劑的混凝土（砂 漿）不得用于長期環(huán)境溫度為80以上的工程。 l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。 l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。 l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。 l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、施工應(yīng)按屋面工程質(zhì)量驗收規(guī)范GB50207執(zhí) 行。 七丶摻膨脹劑混凝土（砂漿）的性能力

10、要求七丶摻膨脹劑混凝土（砂漿）的性能力要求 l補(bǔ)償收縮混凝土的性能 l填充用膨脹混凝土的性能 項項 目目限制膨脹率限制膨脹率 （10-410-4） 限制干縮率限制干縮率 （10-410-4） 抗壓強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度（MPaMPa） 齡 期水中14d水中14d，空 氣中28d 28d 性能指標(biāo)1.53.02.5 項項 目目限制膨脹率限制膨脹率 （10-410-4） 限制干縮率限制干縮率 （10-410-4） 抗壓強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度（MPaMPa） 齡 期水中14d水中14d，空 氣中28d 28d 性能指標(biāo)2.53.030 l灌漿用膨脹砂漿性能 l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

11、應(yīng)符合自應(yīng)力硅酸鹽水泥JC/T218的規(guī)定。 流動度流動度 （mmmm）豎向膨脹率豎向膨脹率 （10-410-4） 抗壓強(qiáng)度（抗壓強(qiáng)度（MPaMPa） 3d7d1d3d28d 2501020203060 硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑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 、 SO 3 、 Al 2 O 3 組成的化合 物的混合物。 一丶作用機(jī)理一丶作用機(jī)理 l硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見的膨脹劑，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+3A12

12、o3+3So3+96H2o 3CaoA12o33CaS0432H2o l對鈣礬石的膨脹機(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溶液中會吸附大量的水腫 脹，而不是鈣礬石形成過程中產(chǎn)生膨脹。 二丶使用要求二丶使用要求 l但是在硫鋁酸鈣類膨脹劑推廣使用過程中也發(fā)現(xiàn)若干問 題, 主要表現(xiàn)為混凝土開裂、未達(dá)到設(shè)計要求的膨脹率、 強(qiáng)度不足等。要解決這些問題, 需要從原材料、配合比、 現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)等諸多方面進(jìn)行控制, 主要有以下

13、幾點(diǎn)： l1.對混凝土養(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, 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 拌場站宜對砂、石骨料采取遮陽、降溫措施等等。 l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 ( C 3 A 3CaSO 4 32H 2 O ) , 膨脹結(jié)晶 體鈣礬石的生成需要水, 因為在澆筑后 17 d 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), 714 d 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

14、能達(dá)到設(shè)計預(yù)期的峰值, 充分發(fā)揮混凝土的膨脹效應(yīng)。 l2.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。 l3.攪拌時間的要求 在摻加膨脹劑時, 混凝土的攪拌時間應(yīng)延長 30 s 以上。 4水泥及骨料的選擇 膨脹劑的摻入會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, 水泥用量不宜過大, 選擇水泥品種時, 宜選擇低水

15、化熱的水泥。骨料的品質(zhì)對配制補(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, 宜基本無棱角, 并減少針片狀顆粒的含量,粒徑 控制在小于 30 mm 。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 2.63.1 的中砂為宜。 不宜選用砂巖類山砂、海砂, 此類砂對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氧化鈣類混凝土膨脹劑 l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， l與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成

16、氫氧化鈣的混凝土膨 脹劑。 作用機(jī)理作用機(jī)理 l氧化鈣遇水發(fā)生水化，形成氫氧化鈣： CaO+H20-Ca(OH)2 膨脹過程分兩個階段：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)晶開始第二期膨脹，這一過程 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。從宏觀來看，隨著晶體的轉(zhuǎn)化， 體積不斷膨脹。 CaO+H20-Ca(OH)2 l這是一個放熱過程，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常將普通石灰和硬脂酸按 一

17、定比例共同磨細(xì)而成一定比例共同磨細(xì)而成，一一方面起到助磨劑的作用，另 一方面在球磨機(jī)球磨的過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：特性： l石灰系膨脹劑由于膨脹速率對溫度、濕度等環(huán)境影響十 分敏感而難于控制，生產(chǎn)及使用時間不能間隔過長，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。 硫鋁酸鈣硫鋁

18、酸鈣氧化鈣類混凝土膨脹劑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 氧化鎂類膨脹劑氧化鎂類膨脹劑 l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)場道面、公 路、地下工程等。 作用機(jī)理作用機(jī)理 l

19、氧化鎂系膨脹劑主要是通過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94o1238 MgO+H20-+Mg(OH)2 l水泥中MgO產(chǎn)生膨脹的根本原因是MgO的水化。MgO水化時 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，其中晶體生長壓理論和吸水腫脹理論是兩 種典型的機(jī)理。 l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。 l晶體生長壓理論認(rèn)為水泥中死燒MgO水化時，在MgO顆粒 表面形成以Mg2+與OH-為主要組分的過飽和溶液，過飽和 溶液中Mg(OH)2結(jié)晶并生長，產(chǎn)生結(jié)晶壓，從而導(dǎo)致水泥 漿體的膨脹 特性特性 l