[科普中国]-胀性混凝土

概述

普通硅酸盐水泥混凝土常因水泥水化发生收缩而开裂，为了提高水泥混凝土的抗裂性，补偿收缩，甚至使混凝土内部产生化学预应力，采用膨胀水泥或在混凝土中掺膨胀剂都能配制膨胀混凝土。

早在1890年凯德洛特（C．Candlot）就发现铝酸三钙和硫酸钙在水介质中相互作用，会生成水化硫铝酸钙（即钙矾石），钙矾石含有32个结晶水，体积发生膨胀。1935年法国洛西叶（H．Lasier）在波特兰水泥中掺入矾土、石膏和白垩磨成生料，经煅烧成熟料，再加入适量矿渣共同粉磨而成膨胀水泥。1942年前苏联米哈依洛夫、1964年美国克莱恩（A．Klein）先后都研制成功膨胀水泥。

1962年日本购买了美国K型膨胀水泥专利技术，并在此基础上首次研制成功硫铝酸钙膨胀剂，取名CSA，这种膨胀剂是用石灰石、矾土和石膏煅烧成熟料后粉磨而成，在硅酸盐水泥中掺入8%～12%和17%～25%CSA，即可分别配制成补偿收缩混凝土与自应力混凝土（膨胀混凝土）。用膨胀剂来配制膨胀混凝土，可以降低造价，且使用灵活方便。

我国自20世纪50年代开始研制膨胀水泥，1957年吴中伟、曹永康等研制成功硅酸盐自应力水泥（膨胀水泥），我国膨胀剂研制始于20世纪70年代．经过多年的努力，已研制出10多种膨胀剂产品，主要有硫铝酸钙类、硫铝酸钙一氧化钙类、氧化钙类等三类混凝土膨胀剂。

另外，我国水利水电丁程还用轻烧MgO作为膨胀剂配制水T大体积补偿收缩混凝土，轻烧MgO膨胀剂是由菱镁矿石经过1000℃左右温度煅烧、粉磨而成。MgO与水反应生成 ，体积膨胀，因煅烧温度比水泥熟料煅烧温度（1450℃左右）低，故称轻烧MgO。轻烧MgO因煅烧温度低，作为水工混凝土膨胀剂的轻烧MgO，一般到180d时膨胀基本稳定，正好补偿温降收缩变形。

硫铝酸钙类与氧化钙类膨胀剂使混凝土早期（1～7d）膨胀量大，在约束条件下产生预压应力，因此适用于填充性补偿收缩混凝土与自应力混凝土，而轻烧MgO膨胀剂在水泥水化初期嘭胀量很小，一般在7～90d膨胀量较大，至180d膨胀基本趋于稳定。因此轻烧MgO膨胀剂适用于水工大体积混凝土，使其自生体积变形为膨胀变形．以提高水工混凝土抗裂性。

因膨胀水泥膨胀量不可调、价格贵、保存防潮较困难，而膨胀剂膨胀量可用膨胀剂掺量来调节、掺量少、价格较便宜、易防潮保存等。因此一般不采用膨胀水泥配制膨胀混凝土，而是采用膨胀剂配制膨胀混凝土。

根据要求膨胀量大小．可分为微膨胀、小膨胀、较大膨胀与大膨胀4个等级：

（1）微膨胀：水中14d限制膨胀率 ，用于大体积混凝土补偿收缩。

（2）小膨胀：水中14d限制膨胀率 ，用于补偿收缩混凝土。

（3）较大膨胀：水中14d限制膨胀率 ，用于填充用膨胀混凝土。

（4）大膨胀：水中14d限制膨胀率 ，用于自应力混凝土。

掺膨胀剂的补偿收缩混凝土应在限制条件与潮湿环境下使用，否则达不到预期效果。1

对原材料要求膨胀混凝土与普通混凝土原材料差别在于前者必须掺适宜的膨胀剂。

膨胀剂种类混凝土膨胀剂可分成以下四类：

（1）硫铝酸钙类膨胀剂，如UEA、AEA、PNC等；与水泥、水拌合后经水化反应生成钙矾石；

（2）硫铝酸钙—氧休钙类膨胀剂，如CEA，与水泥、水拌合后经水化反应生成钙矾石和氢氧化钙；

（3）氧化钙类膨胀剂，与水泥、水拌合后经水化反应生氢氧化钙；

（4）轻烧氧化镁膨胀剂，与水泥、水拌合后经水化反应生成氢氧化镁。1

膨胀剂品质要求（1）硫铝酸钙类、硫铝酸钙一氧化钙类、氧化钙类膨胀剂品质要求列于图1中。

（2）轻烧氧化镁膨胀剂品质要求。

由原能源部水利水电规划设计总院1994年颁布的《水利水电工程轻烧氧化镁材料品质技术要求》（试行）规定的轻烧氧化镁膨胀剂品质要求列于图2中。1

特性（1）膨胀混凝土具有微膨胀性（大体积微膨胀混凝土）、或小膨胀性（补偿收缩混凝土）、或较大膨胀性（填充性膨胀混凝土）

（2）掺膨胀剂膨胀混凝土的抗裂性、抗渗性均比普通混凝土的高，这是因为在限制条件下，膨胀剂在混凝土中产生一定预压应力，改善了混凝土内部的应力状态，从而提高了混凝土抗裂性。另一方面在水泥凝结硬化过程中，膨胀结晶体（如钙矾石等）在混凝土内部起到填充、切断毛细孔缝的作用，改善了混凝土孔结构，使混凝土更加密实，从而提高了混凝土抗渗性及力学性能。

（3）掺粉煤灰膨胀混凝土的膨胀率比不掺粉煤灰的有所降低，这是因为粉煤灰火山灰反应会消耗部分膨胀剂中的硫酸盐和体系中的氢氧化钙，使浆体液相pH值降低，在没有足够碱度和一定数量条件下生成的钙矾石往往以粗粒状形态结晶，表现出较差膨胀性能。

（4）膨胀混凝土7d龄期抗压强度比不掺膨胀剂混凝土有所降低（约10%），这是因为掺硫铝酸钙类膨胀剂的膨胀混凝土1～7d膨胀量较大，在不带模养护条件下．混凝土产生自由膨胀，使混凝土结构变得不够致密，导致混凝土7d抗压强度降低，而28d龄期混凝土抗压强度可以达到设计强度，应以28d抗压强度来判定。

（5）膨胀混凝土拌合时间应比普通混凝土延长30s，以保证膨胀剂和水泥、减水剂等拌合均匀，提高混凝土匀质性。

（6）掺膨胀剂膨胀混凝土能在低温条件下膨胀，且低温比常温条件下产生更大的膨胀值，这是由于低温条件下溶液中浓度较高，从而导致细粒钙矾石体生成，产生较大的膨胀量。

（7）大体积补偿收缩混凝土内部温度达80℃高温，钙矾石就可能向AFm（低硫型水化硫锅酸钙一）转化，使硬化体固相体减少，空隙率增加，混凝土性能下降，并可能危害混凝土结构。因此大体积混凝土中掺用硫铝酸钙类膨胀剂，应控制大体积混凝土内部最高温度不超过80℃。

（8）掺膨胀剂的膨胀混凝土，施工时必须进行不少于14d湿养护，以保证有足够水供水化反应，达到预期膨胀量。1

用途（1）大体积补偿收缩混凝土，如水电站大坝混凝土、大型结构基础大体积混凝土；

（2）导流底孔与导流洞封堵混凝土；

（3）厂坝之间宽缝回填混凝土；

（4）坝基坑塘、断层挖槽等回填混凝土；

（5）工业与民用建筑无缝浇筑混凝土（微膨胀混凝土+后浇加强带）；

（6）核电站混凝土工程，秦山核电站二期工程与江苏田湾核电站有关结构工程，已用AEA、UEA膨胀剂5000余吨．取得良好效果。1