混凝土膨脹劑淺談

文/ 孫 密 嚴世鑫

摘 要:本文簡(jiǎn)要介紹了膨脹劑的發(fā)展概況,對膨脹劑的種類(lèi)、作用機理及特性作了精煉的總結和概括, 并對我國膨脹劑的發(fā)展應用概況作了簡(jiǎn)要的總結。
關(guān)鍵詞:膨脹劑; 混凝土;作用機理; 種類(lèi)
作 者:中南大學(xué)土木建筑學(xué)院
一、混凝土膨脹劑的發(fā)展概況
混凝土膨脹劑是在膨脹水泥基礎上發(fā)展起來(lái)的一種混凝土外加劑, 1936年, H.Lossier 發(fā)明了膨脹水泥, 1958年, A. Klien在此基礎上開(kāi)發(fā)了K型膨脹水泥, 1964年正式投入生產(chǎn)。日本是最先發(fā)展膨脹劑的國家,從1962年到1970年,它成功研制了硫鋁酸鈣膨脹劑和石灰系膨脹劑。此外,俄羅斯、美國、澳大利亞、保加利亞等開(kāi)展了混凝土膨脹劑的研制。我國從20世紀70年代進(jìn)行混凝土膨脹劑的研究,至今大致經(jīng)歷了“高堿高摻- 中堿中摻- 低堿低摻”三個(gè)階段。
二、膨脹劑的種類(lèi)、作用機理及特性
混凝土膨脹劑按化學(xué)成分可以分五類(lèi):硫鋁酸鈣類(lèi); 氧化鎂類(lèi);石灰類(lèi); 氧化鐵類(lèi);復合類(lèi)。
1 硫鋁酸鈣類(lèi)膨脹劑
作用機理:硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見(jiàn)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,其反應通式為:
6CaO+ 3Al2O3 + 3SO3 + 96H2O = 3CaO [1]AlO2O3 [1]3CaSO4 [1]32H2O
對鈣礬石的膨脹機理,主要存在兩種理論:即結晶膨脹和膠體吸水膨脹。米哈依洛夫認為膨脹是由于鈣礬石的晶體長(cháng)大而產(chǎn)生晶體壓力所至。Mehta 認為, 鈣礬石的膨脹是由于其表面帶電負性, 膠狀鈣礬石比表面積打及特殊的晶格結構, 在飽和Ca( OH)2 溶液中會(huì )吸附大量的水腫脹,而不是鈣礬石形成過(guò)程中產(chǎn)生膨脹。

特性:一般, 硅酸鹽水泥水化的縮減值在8%左右, 那么,要形成多少鈣礬石才行呢? 游寶坤進(jìn)行了理論計算,計算結果為,每100g 水泥中, 應該生成的鈣礬石數量不應小于理論值25g。
2 氧化鎂類(lèi)膨脹劑
作用機理: 氧化鎂系膨脹劑主要是通過(guò)氧化鎂水化生成氫氧化鎂結晶( 水鎂石)而產(chǎn)生膨脹, 體積可增加940%~1238%: MgO+ H2O = Mg(OH)2
唐明述院士等, 自20世紀70年代起就對MgO水泥的化學(xué)機理做了長(cháng)期的研究, 他提出:
A. 摻MgO水泥漿體的膨脹起因于Mg(OH)2 晶體的生成和生長(cháng)。
B. 膨脹值的大小主要取決于生成Mg( OH)2 晶體所在的位置和Mg( OH)2 晶體的尺寸。
C. 膨脹的直接驅動(dòng)力來(lái)自于Mg( OH)2 晶體的腫脹力和結晶壓力。
D. 普硅- 粉煤灰晶體的低堿度空隙液和多空結構, 使得部分Mg( OH)2 晶體趨于往空洞中生長(cháng), 從而使Mg( OH)2 晶體生長(cháng)的空間增大。
特性: 由于方鎂石在常溫下的水化反應時(shí)間相對較長(cháng), 膨脹效應發(fā)揮較慢,因此被用來(lái)補償由于溫度變化引起的收縮和后期收縮。
3 石灰系膨脹劑
作用機理: 氧化鈣遇水發(fā)生水化,形成氫氧化鈣: CaO+ H2O = Ca( OH) 2
這是一個(gè)放熱過(guò)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, 長(cháng)江普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨細而成, 一方面起到助磨劑的作用, 另一方面在球磨機球磨的過(guò)程中使其表面黏附了硬脂酸, 起到憎水隔離的作用, 延緩了CaO的水化速度, 從而控制膨脹速率。
特性: 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(shí)間不能間隔過(guò)長(cháng),保質(zhì)期短而較少用于一般混凝土的補償收縮,目前主要用于設備灌漿, 職稱(chēng)灌漿料,用于大型基礎設施的基礎灌漿和地腳螺栓的灌漿。
4 氧化鐵系膨脹劑
作用機理:氧化鐵類(lèi)膨脹劑是在鐵粉中摻加適量的氧化劑和催化劑,使鐵氧化,然后利用氧化鐵與堿的作用生成氫氧化鐵、氫氧化亞鐵而使混凝土體積膨脹。
Fe+ Rxn + H2O = FeXn + R( OH)n+ H2

FeXn+ R( OH)n = Fe( OH)n+ RXn
式中RX為離子型催化劑。
特性:此類(lèi)膨脹劑的主要特點(diǎn)是膨脹穩定期較早、耐熱性好, 適用于干熱高溫環(huán)境,但膨脹量不太大, 主要作為收縮補償劑使用。
5 復合型膨脹劑
含有兩種及兩種以上膨脹源的膨脹劑通常稱(chēng)為復合膨脹劑。如: 硫鋁酸鈣- 氧化鈣類(lèi)膨脹劑, 石灰- 明礬石復合膨脹劑等。
三、小結
經(jīng)過(guò)多年來(lái)的開(kāi)發(fā)應用, 我國混凝土膨脹劑得到較廣泛的應用, 累計總量約500萬(wàn)噸, 以膨脹劑平均摻量40kg/m3計,折合補償收縮混凝土近7500萬(wàn)m3。其中UEA膨脹劑約占總量的70%左右。尤其在與防水有關(guān)的工業(yè)、地下、水工、地鐵、隧道和水電等鋼筋混凝土結構工程中取得了良好的應用效果。但隨著(zhù)用量的增大, 有些設計、科研和高校的專(zhuān)家學(xué)者反應, 補償收縮混凝土工程裂滲事故有隨著(zhù)用量激增而增多之勢,這值得我們深思和總結教訓,只有這樣才能把我國膨脹劑的開(kāi)發(fā)應用研究沿著(zhù)健康的方向發(fā)展。
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