馬鉞 李達

(1.陽泉市建筑設(shè)計院，山西陽泉 045000;2.山西工程技術(shù)學院，山西陽泉 045000)

1 概述

裂縫是導致普通水泥混凝土質(zhì)量劣化的重要原因，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌大多也是源于微裂縫的持續(xù)擴展?；炷恋奈⒘阎饕腥N:1)在骨料周圍出現(xiàn)的骨料與水泥石粘結(jié)面上的粘著裂縫;2)水泥石中的裂縫;3)骨料內(nèi)部的裂縫。混凝土裂縫的主要成因可分為三種:由靜載或動載作用而引起的主要應(yīng)力或結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，以及由變形荷載(如溫度、收縮和膨脹、不均勻沉陷等)引起的裂縫。

針對不同原因產(chǎn)生的裂縫，有不同的裂縫預防控制方法，如控制水灰比、選用收縮量較小的水泥、加強養(yǎng)護、減小約束、預留收縮縫、摻外加劑等。其中，在普通混凝土中摻加膨脹劑以形成補償收縮是解決混凝土抗裂性有效而經(jīng)濟的措施之一。如:柳州市莊承大廈采用了AEA加強型膨脹劑無縫施工方法;AEA膨脹劑在我國重點建設(shè)工程錢塘江二橋的C60混凝土得到應(yīng)用等等。

2 常用膨脹劑的機理及應(yīng)用探討

混凝土膨脹劑是指與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣，使混凝土產(chǎn)生體積膨脹的外加劑。目前，我國常用膨脹劑主要有三種類型:硫鋁酸鈣類(如UEA，AEA，PNC，F(xiàn)S，PPT等)、氧化鈣—硫鋁酸鈣類(如CEA)、氧化鈣類，另外還有氧化鎂類和金屬類，以及復合膨脹劑等。

硫鋁酸鈣類:也稱明礬石膨脹劑，是國內(nèi)最常用的膨脹劑系列，UEA和AEA使用較多。UEA補償收縮混凝土是一種適度膨脹的混凝土，鈣礬石［KAl(SO4)2·12H2O］是它的膨脹源。

目前，硫鋁酸鈣類膨脹劑存在著以下一些問題:

1)高溫下不穩(wěn)定;

2)應(yīng)用于大體積混凝土時，如果混凝土內(nèi)部溫升過高，可能導致延遲鈣礬石生成;

3)隨著水泥石的水化硬化，尤其是在碳化失水的過程中，鈣礬石還會繼續(xù)轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物:C3A(CS·CH)H12，該產(chǎn)物會使混凝土的強度倒縮，耐久性(尤其是抗凍性)大大降低，同時也不耐軟水的侵蝕;

4)膨脹劑摻量高(UEA:10%～12%，AEA:8%～10%)，需水率大(0.59)，混凝土終凝后即需要澆水養(yǎng)護，對混凝土養(yǎng)護要求高;

5)對高強、高性能混凝土的收縮補償效果略差;

6)這類膨脹劑大多以明礬石為主要原材料，故含有1%～2%的堿(R2O)，這將增加堿—骨料反應(yīng)(AAR)的損害。

氧化鈣類:屬于輕燒CaO，又叫石灰型膨脹劑，1970年由日本小野田水泥株式會社開發(fā)成功。其膨脹機理之一，是利用輕燒CaO內(nèi)比表面積大、水化速度快導致水化產(chǎn)物不能及時轉(zhuǎn)移的特點，使得體系宏觀體積增大;膨脹機理之二，是利用輕燒氧化鈣晶體的水化產(chǎn)生氫氧化鈣晶體，體積增加約90%，以及水化過程中，分散的石灰顆粒表面吸附水分子，從而造成宏觀體積的膨脹。

CaO系列膨脹劑的主要缺點如下:

1)水化形成的氫氧化鈣顆粒間作用力較弱，膠凝性能差;

2)早期膨脹效果好于后期;

3)膨脹效果的穩(wěn)定性受壓力影響較大。

氧化鈣—硫鋁酸鈣類:又稱CEA，是中國建筑材料科學研究工作者，在20世紀80年代經(jīng)精心地研究成功的新產(chǎn)品。它吸收日本石灰型膨脹劑和中國明礬石膨脹劑的優(yōu)點。膨脹來源是過燒石灰和鈣礬石的雙重作用。是用鈣質(zhì)原料、粘土質(zhì)原料和鐵質(zhì)原料制成的生料，然后經(jīng)過煅燒設(shè)備在1 400℃ ～1 450℃的溫度下煅燒粉磨而成，該產(chǎn)品的膨脹性能高，堿含量低，質(zhì)量穩(wěn)定，是一種性能優(yōu)良的膨脹劑。

CEA的使用要求與UEA和AEA類似，要注意混凝土的養(yǎng)護，澆筑完的混凝土不能受陽光直接照射，養(yǎng)護時間不少于14 d，要使混凝土經(jīng)常保持在潤濕狀態(tài);拆模時間規(guī)定與普通混凝土相同，在冬季要適當延長。

氧化鎂類:這類膨脹劑最早由美國的P.K.Mehta教授提出。其膨脹機理是利用MgO水化后其水化產(chǎn)物Mg(OH)2固相體積的增大來補償混凝土體系的體積收縮。

我國對MgO膨脹劑的研究和使用始于20世紀70年代，當時主要利用高鎂水泥中MgO水化后的延遲膨脹來補償水工大壩基礎(chǔ)大體積混凝土溫降收縮，1973年開始施工的吉林白山水電站拱壩即采用了MgO混凝土筑壩技術(shù)。以后陸續(xù)在東風、青溪、銅街子、銅頭等十幾座大中型水電工程中采用了MgO膨脹劑，技術(shù)經(jīng)濟效益良好。

氧化鎂膨脹劑的原材料——菱鎂礦分布廣泛，成品MgO含量高(90%以上)，質(zhì)量穩(wěn)定;在混凝土中的摻量較低(4%～6%)，需水量少，氧化鎂膨脹劑的需水率只有0.45，比硫鋁酸鹽類膨脹劑0.59的需水率要低;膨脹源為單一的Mg(OH)2，其膨脹過程較易控制;而且氧化鎂膨脹劑的含堿量(Na+，K+)很低，有利于混凝土材料堿—骨料反應(yīng)的預防和控制。氧化鎂膨脹劑的這些特點使它的利用完全可以突破水工混凝土的局限，在各種非水工類土木工程混凝土中得到推廣和應(yīng)用，尤其是在鋼管混凝土、高強高性能混凝土等低水膠比混凝土或不易養(yǎng)護的混凝土中，摻量低、需水量小、水化產(chǎn)物穩(wěn)定的氧化鎂類膨脹劑將會有很好的應(yīng)用前景。

金屬類:在普通混凝土中摻入金屬粉末即形成金屬類膨脹劑。鐵粉、鋁粉、鋅粉、鎂粉等均可作為金屬膨脹劑，以鐵粉使用較多。其膨脹機理以鐵粉為例:將鐵粉和適量的過鉻酸鹽、高錳酸鹽等氧化劑摻入混凝土中，生成Fe2O3和Fe(OH)2等產(chǎn)物后鐵顆粒體積增大，從而產(chǎn)生膨脹效應(yīng)。

金屬類膨脹劑最先在歐洲和日本提出，在我國主要用于填充用膨脹混凝土或砂漿，摻量一般為水泥質(zhì)量的30%～35%。由于目前應(yīng)用不是很多，工程經(jīng)驗相對較少。

復合膨脹劑:是指用前述的各類膨脹劑再配以化學外加劑而成的產(chǎn)品，可以用來拌制各類用途的泵送混凝土。工程中使用的復合膨脹劑有以下類型:分散性混凝土膨脹劑(摻多孔結(jié)構(gòu)的沸石或者電廠高鋁爐渣)、高能活性混凝土膨脹劑(摻硬石膏、明礬石、緩凝減水劑等)、氟化鹽混凝土膨脹劑(摻廢渣氟石膏、粉煤灰等)、鋼渣水泥膨脹劑及其膨脹水泥、活性膨脹劑(摻硫鋁酸鈣、氯化稀土、硫酸鈉、鋁粉等)、低堿低摻量混凝土膨脹劑(摻鋁粉、碳化鈣為膨脹組分，礬泥作為早強組分，礬渣或者葉蠟石作為增強組分)等等。

ZY高性能高效混凝土膨脹劑:該膨脹劑由旋窯生產(chǎn)的特種膨脹熟料、硅鋁酸鹽熟料與石膏配制而成。ZY與用立窯生產(chǎn)的UEA膨脹劑相比，具有堿含量低、膨脹效能高、施工效果和增強性能好以及質(zhì)量穩(wěn)定的特點，是目前國內(nèi)摻量最低、最先進的硫鋁酸鈣類混凝土膨脹劑。其工作原理是:普通水泥混凝土中拌入ZY和水后，生成的膨脹性結(jié)晶水化物(水化硫鋁酸鈣)可在混凝土結(jié)構(gòu)中建立起一定的預壓應(yīng)力，混凝土硬化時因收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力被這一預壓應(yīng)力所抵消，從而可減輕或避免鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。

3 膨脹劑應(yīng)用的思考和建議

1)在混凝土中摻加膨脹劑主要能解決混凝土結(jié)構(gòu)施工期間的裂縫問題，例如，施工后澆帶以及需要二次澆筑的填充類混凝土，不適用于結(jié)構(gòu)使用期間出現(xiàn)過高的溫度變化的情況。

2)潮濕的環(huán)境更有利于發(fā)揮摻膨脹劑混凝土的補償收縮功能，因此，膨脹劑更適宜用于地鐵及地下構(gòu)筑物、高層建筑地下室以及隧道、管道等有抗裂防滲要求的構(gòu)筑物;同理，良好的養(yǎng)護條件和較早的養(yǎng)護開始時間，也是膨脹劑作用正常發(fā)揮的重要條件。

3)摻加膨脹劑補償收縮的前提，是要在結(jié)構(gòu)中建立預壓應(yīng)力，否則不適宜采取摻膨脹劑的抗裂辦法。

4)不同系列的膨脹劑補償機理不同，摻量也不盡相同。要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位，科學地確定膨脹劑的摻量，以達到最佳的補償收縮效果。

5)明礬石膨脹劑因其高溫不穩(wěn)定性和碳化失水不穩(wěn)定性以及較高的含堿量，一般不應(yīng)在高溫、雨雪侵蝕、凍融循環(huán)、干濕交替等條件下使用，也不應(yīng)單獨用于地下室自防水混凝土。

［1］ 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］ GB 23439—2009，混凝土膨脹劑［S］.

［3］ GBJ 50119—2003，混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 安明喆，劉英利.混凝土膨脹劑的研究與應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2001(6):36-38.

［5］ 胡 平，楊 萍.摻氧化鎂混凝土建造高碾壓混凝土重力壩的溫度補償計算方法［J］.中國水利水電科學研究院學報，2004(4):302-306.