混凝土膨胀剂的补偿机理及应用★

马钺 李达

(1.阳泉市建筑设计院，山西阳泉 045000;2.山西工程技术学院，山西阳泉 045000)

1 概述

裂缝是导致普通水泥混凝土质量劣化的重要原因，混凝土结构的破坏和倒塌大多也是源于微裂缝的持续扩展。混凝土的微裂主要有三种:1)在骨料周围出现的骨料与水泥石粘结面上的粘着裂缝;2)水泥石中的裂缝;3)骨料内部的裂缝。混凝土裂缝的主要成因可分为三种:由静载或动载作用而引起的主要应力或结构次应力引起的裂缝，以及由变形荷载(如温度、收缩和膨胀、不均匀沉陷等)引起的裂缝。

针对不同原因产生的裂缝，有不同的裂缝预防控制方法，如控制水灰比、选用收缩量较小的水泥、加强养护、减小约束、预留收缩缝、掺外加剂等。其中，在普通混凝土中掺加膨胀剂以形成补偿收缩是解决混凝土抗裂性有效而经济的措施之一。如:柳州市庄承大厦采用了AEA加强型膨胀剂无缝施工方法;AEA膨胀剂在我国重点建设工程钱塘江二桥的C60混凝土得到应用等等。

2 常用膨胀剂的机理及应用探讨

混凝土膨胀剂是指与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石、氢氧化钙或钙矾石和氢氧化钙，使混凝土产生体积膨胀的外加剂。目前，我国常用膨胀剂主要有三种类型:硫铝酸钙类(如UEA，AEA，PNC，FS，PPT等)、氧化钙—硫铝酸钙类(如CEA)、氧化钙类，另外还有氧化镁类和金属类，以及复合膨胀剂等。

硫铝酸钙类:也称明矾石膨胀剂，是国内最常用的膨胀剂系列，UEA和AEA使用较多。UEA补偿收缩混凝土是一种适度膨胀的混凝土，钙矾石［KAl(SO4)2·12H2O］是它的膨胀源。

目前，硫铝酸钙类膨胀剂存在着以下一些问题:

1)高温下不稳定;

2)应用于大体积混凝土时，如果混凝土内部温升过高，可能导致延迟钙矾石生成;

3)随着水泥石的水化硬化，尤其是在碳化失水的过程中，钙矾石还会继续转化为最终产物:C3A(CS·CH)H12，该产物会使混凝土的强度倒缩，耐久性(尤其是抗冻性)大大降低，同时也不耐软水的侵蚀;

4)膨胀剂掺量高(UEA:10%～12%，AEA:8%～10%)，需水率大(0.59)，混凝土终凝后即需要浇水养护，对混凝土养护要求高;

5)对高强、高性能混凝土的收缩补偿效果略差;

6)这类膨胀剂大多以明矾石为主要原材料，故含有1%～2%的碱(R2O)，这将增加碱—骨料反应(AAR)的损害。

氧化钙类:属于轻烧CaO，又叫石灰型膨胀剂，1970年由日本小野田水泥株式会社开发成功。其膨胀机理之一，是利用轻烧CaO内比表面积大、水化速度快导致水化产物不能及时转移的特点，使得体系宏观体积增大;膨胀机理之二，是利用轻烧氧化钙晶体的水化产生氢氧化钙晶体，体积增加约90%，以及水化过程中，分散的石灰颗粒表面吸附水分子，从而造成宏观体积的膨胀。

CaO系列膨胀剂的主要缺点如下:

1)水化形成的氢氧化钙颗粒间作用力较弱，胶凝性能差;

2)早期膨胀效果好于后期;

3)膨胀效果的稳定性受压力影响较大。

氧化钙—硫铝酸钙类:又称CEA，是中国建筑材料科学研究工作者，在20世纪80年代经精心地研究成功的新产品。它吸收日本石灰型膨胀剂和中国明矾石膨胀剂的优点。膨胀来源是过烧石灰和钙矾石的双重作用。是用钙质原料、粘土质原料和铁质原料制成的生料，然后经过煅烧设备在1 400℃ ～1 450℃的温度下煅烧粉磨而成，该产品的膨胀性能高，碱含量低，质量稳定，是一种性能优良的膨胀剂。

CEA的使用要求与UEA和AEA类似，要注意混凝土的养护，浇筑完的混凝土不能受阳光直接照射，养护时间不少于14 d，要使混凝土经常保持在润湿状态;拆模时间规定与普通混凝土相同，在冬季要适当延长。

氧化镁类:这类膨胀剂最早由美国的P.K.Mehta教授提出。其膨胀机理是利用MgO水化后其水化产物Mg(OH)2固相体积的增大来补偿混凝土体系的体积收缩。

我国对MgO膨胀剂的研究和使用始于20世纪70年代，当时主要利用高镁水泥中MgO水化后的延迟膨胀来补偿水工大坝基础大体积混凝土温降收缩，1973年开始施工的吉林白山水电站拱坝即采用了MgO混凝土筑坝技术。以后陆续在东风、青溪、铜街子、铜头等十几座大中型水电工程中采用了MgO膨胀剂，技术经济效益良好。

氧化镁膨胀剂的原材料——菱镁矿分布广泛，成品MgO含量高(90%以上)，质量稳定;在混凝土中的掺量较低(4%～6%)，需水量少，氧化镁膨胀剂的需水率只有0.45，比硫铝酸盐类膨胀剂0.59的需水率要低;膨胀源为单一的Mg(OH)2，其膨胀过程较易控制;而且氧化镁膨胀剂的含碱量(Na+，K+)很低，有利于混凝土材料碱—骨料反应的预防和控制。氧化镁膨胀剂的这些特点使它的利用完全可以突破水工混凝土的局限，在各种非水工类土木工程混凝土中得到推广和应用，尤其是在钢管混凝土、高强高性能混凝土等低水胶比混凝土或不易养护的混凝土中，掺量低、需水量小、水化产物稳定的氧化镁类膨胀剂将会有很好的应用前景。

金属类:在普通混凝土中掺入金属粉末即形成金属类膨胀剂。铁粉、铝粉、锌粉、镁粉等均可作为金属膨胀剂，以铁粉使用较多。其膨胀机理以铁粉为例:将铁粉和适量的过铬酸盐、高锰酸盐等氧化剂掺入混凝土中，生成Fe2O3和Fe(OH)2等产物后铁颗粒体积增大，从而产生膨胀效应。

金属类膨胀剂最先在欧洲和日本提出，在我国主要用于填充用膨胀混凝土或砂浆，掺量一般为水泥质量的30%～35%。由于目前应用不是很多，工程经验相对较少。

复合膨胀剂:是指用前述的各类膨胀剂再配以化学外加剂而成的产品，可以用来拌制各类用途的泵送混凝土。工程中使用的复合膨胀剂有以下类型:分散性混凝土膨胀剂(掺多孔结构的沸石或者电厂高铝炉渣)、高能活性混凝土膨胀剂(掺硬石膏、明矾石、缓凝减水剂等)、氟化盐混凝土膨胀剂(掺废渣氟石膏、粉煤灰等)、钢渣水泥膨胀剂及其膨胀水泥、活性膨胀剂(掺硫铝酸钙、氯化稀土、硫酸钠、铝粉等)、低碱低掺量混凝土膨胀剂(掺铝粉、碳化钙为膨胀组分，矾泥作为早强组分，矾渣或者叶蜡石作为增强组分)等等。

ZY高性能高效混凝土膨胀剂:该膨胀剂由旋窑生产的特种膨胀熟料、硅铝酸盐熟料与石膏配制而成。ZY与用立窑生产的UEA膨胀剂相比，具有碱含量低、膨胀效能高、施工效果和增强性能好以及质量稳定的特点，是目前国内掺量最低、最先进的硫铝酸钙类混凝土膨胀剂。其工作原理是:普通水泥混凝土中拌入ZY和水后，生成的膨胀性结晶水化物(水化硫铝酸钙)可在混凝土结构中建立起一定的预压应力，混凝土硬化时因收缩而产生的拉应力被这一预压应力所抵消，从而可减轻或避免钢筋混凝土结构的开裂。

3 膨胀剂应用的思考和建议

1)在混凝土中掺加膨胀剂主要能解决混凝土结构施工期间的裂缝问题，例如，施工后浇带以及需要二次浇筑的填充类混凝土，不适用于结构使用期间出现过高的温度变化的情况。

2)潮湿的环境更有利于发挥掺膨胀剂混凝土的补偿收缩功能，因此，膨胀剂更适宜用于地铁及地下构筑物、高层建筑地下室以及隧道、管道等有抗裂防渗要求的构筑物;同理，良好的养护条件和较早的养护开始时间，也是膨胀剂作用正常发挥的重要条件。

3)掺加膨胀剂补偿收缩的前提，是要在结构中建立预压应力，否则不适宜采取掺膨胀剂的抗裂办法。

4)不同系列的膨胀剂补偿机理不同，掺量也不尽相同。要根据不同的结构部位，科学地确定膨胀剂的掺量，以达到最佳的补偿收缩效果。

5)明矾石膨胀剂因其高温不稳定性和碳化失水不稳定性以及较高的含碱量，一般不应在高温、雨雪侵蚀、冻融循环、干湿交替等条件下使用，也不应单独用于地下室自防水混凝土。

［1］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.

［2］ GB 23439—2009，混凝土膨胀剂［S］.

［3］ GBJ 50119—2003，混凝土膨胀剂应用技术规范［S］.

［4］ 安明喆，刘英利.混凝土膨胀剂的研究与应用［J］.建筑技术开发，2001(6):36-38.

［5］ 胡 平，杨 萍.掺氧化镁混凝土建造高碾压混凝土重力坝的温度补偿计算方法［J］.中国水利水电科学研究院学报，2004(4):302-306.