混凝土膨脹劑淺談

文/ 孫 密 嚴世鑫

摘 要:本文簡要介紹了(le)膨脹劑的(de)發展概況,對(duì)膨脹劑的(de)種類、作用(yòng)機理(lǐ)及特性作了(le)精煉的(de)總結和(hé)概括, 并對(duì)我國膨脹劑的(de)發展應用(yòng)概況作了(le)簡要的(de)總結。
關鍵詞:膨脹劑; 混凝土;作用(yòng)機理(lǐ); 種類
作 者:中南(nán)大(dà)學土木(mù)建築學院
一、混凝土膨脹劑的(de)發展概況
混凝土膨脹劑是在膨脹水(shuǐ)泥基礎上發展起來(lái)的(de)一種混凝土外加劑, 1936年, H.Lossier 發明(míng)了(le)膨脹水(shuǐ)泥, 1958年, A. Klien在此基礎上開發了(le)K型膨脹水(shuǐ)泥, 1964年正式投入生産。日本是最先發展膨脹劑的(de)國家,從1962年到1970年,它成功研制了(le)硫鋁酸鈣膨脹劑和(hé)石灰系膨脹劑。此外,俄羅斯、美(měi)國、澳大(dà)利亞、保加利亞等開展了(le)混凝土膨脹劑的(de)研制。我國從20世紀70年代進行混凝土膨脹劑的(de)研究,至今大(dà)緻經曆了(le)“高(gāo)堿高(gāo)摻- 中堿中摻- 低堿低摻”三個(gè)階段。
二、膨脹劑的(de)種類、作用(yòng)機理(lǐ)及特性
混凝土膨脹劑按化(huà)學成分(fēn)可(kě)以分(fēn)五類:硫鋁酸鈣類; 氧化(huà)鎂類;石灰類; 氧化(huà)鐵類;複合類。
1 硫鋁酸鈣類膨脹劑
作用(yòng)機理(lǐ):硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見的(de)膨脹劑,其品種很多(duō), 主要包括CSA膨脹劑和(hé)明(míng)礬石膨脹劑, 産生膨脹能的(de)原因是由于硫鋁酸鈣水(shuǐ)化(huà)物(wù)(鈣礬石) 的(de)生成,其反應通(tōng)式爲:
6CaO+ 3Al2O3 + 3SO3 + 96H2O = 3CaO [1]AlO2O3 [1]3CaSO4 [1]32H2O
對(duì)鈣礬石的(de)膨脹機理(lǐ),主要存在兩種理(lǐ)論:即結晶膨脹和(hé)膠體吸水(shuǐ)膨脹。米哈依洛夫認爲膨脹是由于鈣礬石的(de)晶體長(cháng)大(dà)而産生晶體壓力所至。Mehta 認爲, 鈣礬石的(de)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(de)晶格結構, 在飽和(hé)Ca( OH)2 溶液中會吸附大(dà)量的(de)水(shuǐ)腫脹,而不是鈣礬石形成過程中産生膨脹。

特性:一般, 矽酸鹽水(shuǐ)泥水(shuǐ)化(huà)的(de)縮減值在8%左右, 那麽,要形成多(duō)少鈣礬石才行呢(ne)? 遊寶坤進行了(le)理(lǐ)論計算(suàn),計算(suàn)結果爲,每100g 水(shuǐ)泥中, 應該生成的(de)鈣礬石數量不應小于理(lǐ)論值25g。
2 氧化(huà)鎂類膨脹劑
作用(yòng)機理(lǐ): 氧化(huà)鎂系膨脹劑主要是通(tōng)過氧化(huà)鎂水(shuǐ)化(huà)生成氫氧化(huà)鎂結晶( 水(shuǐ)鎂石)而産生膨脹, 體積可(kě)增加940%~1238%: MgO+ H2O = Mg(OH)2
唐明(míng)述院士等, 自20世紀70年代起就對(duì)MgO水(shuǐ)泥的(de)化(huà)學機理(lǐ)做(zuò)了(le)長(cháng)期的(de)研究, 他(tā)提出:
A. 摻MgO水(shuǐ)泥漿體的(de)膨脹起因于Mg(OH)2 晶體的(de)生成和(hé)生長(cháng)。
B. 膨脹值的(de)大(dà)小主要取決于生成Mg( OH)2 晶體所在的(de)位置和(hé)Mg( OH)2 晶體的(de)尺寸。
C. 膨脹的(de)直接驅動力來(lái)自于Mg( OH)2 晶體的(de)腫脹力和(hé)結晶壓力。
D. 普矽- 粉煤灰晶體的(de)低堿度空隙液和(hé)多(duō)空結構, 使得(de)部分(fēn)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(de)空間增大(dà)。
特性: 由于方鎂石在常溫下(xià)的(de)水(shuǐ)化(huà)反應時(shí)間相對(duì)較長(cháng), 膨脹效應發揮較慢(màn),因此被用(yòng)來(lái)補償由于溫度變化(huà)引起的(de)收縮和(hé)後期收縮。
3 石灰系膨脹劑
作用(yòng)機理(lǐ): 氧化(huà)鈣遇水(shuǐ)發生水(shuǐ)化(huà),形成氫氧化(huà)鈣: CaO+ H2O = Ca( OH) 2
這(zhè)是一個(gè)放熱(rè)過程, 且水(shuǐ)化(huà)産物(wù)的(de)體積将增加近1倍。但由于氧化(huà)鈣接觸水(shuǐ)後水(shuǐ)化(huà)十分(fēn)激烈, 且放熱(rè)量大(dà),所以生石灰不能直接用(yòng)作膨脹劑, 長(cháng)江普通(tōng)石灰和(hé)硬脂酸按一定比例共同磨細而成, 一方面起到助磨劑的(de)作用(yòng), 另一方面在球磨機球磨的(de)過程中使其表面黏附了(le)硬脂酸, 起到憎水(shuǐ)隔離的(de)作用(yòng), 延緩了(le)CaO的(de)水(shuǐ)化(huà)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(duì)溫度、濕度等環境影(yǐng)響十分(fēn)敏感而難于控制,生産及使用(yòng)時(shí)間不能間隔過長(cháng),保質期短而較少用(yòng)于一般混凝土的(de)補償收縮,目前主要用(yòng)于設備灌漿, 職稱灌漿料,用(yòng)于大(dà)型基礎設施的(de)基礎灌漿和(hé)地腳螺栓的(de)灌漿。
4 氧化(huà)鐵系膨脹劑
作用(yòng)機理(lǐ):氧化(huà)鐵類膨脹劑是在鐵粉中摻加适量的(de)氧化(huà)劑和(hé)催化(huà)劑,使鐵氧化(huà),然後利用(yòng)氧化(huà)鐵與堿的(de)作用(yòng)生成氫氧化(huà)鐵、氫氧化(huà)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爲離子型催化(huà)劑。
特性:此類膨脹劑的(de)主要特點是膨脹穩定期較早、耐熱(rè)性好, 适用(yòng)于幹熱(rè)高(gāo)溫環境,但膨脹量不太大(dà), 主要作爲收縮補償劑使用(yòng)。
5 複合型膨脹劑
含有兩種及兩種以上膨脹源的(de)膨脹劑通(tōng)常稱爲複合膨脹劑。如: 硫鋁酸鈣- 氧化(huà)鈣類膨脹劑, 石灰- 明(míng)礬石複合膨脹劑等。
三、小結
經過多(duō)年來(lái)的(de)開發應用(yòng), 我國混凝土膨脹劑得(de)到較廣泛的(de)應用(yòng), 累計總量約500萬噸, 以膨脹劑平均摻量40kg/m3計,折合補償收縮混凝土近7500萬m3。其中UEA膨脹劑約占總量的(de)70%左右。尤其在與防水(shuǐ)有關的(de)工業、地下(xià)、水(shuǐ)工、地鐵、隧道和(hé)水(shuǐ)電等鋼筋混凝土結構工程中取得(de)了(le)良好的(de)應用(yòng)效果。但随著(zhe)用(yòng)量的(de)增大(dà), 有些設計、科研和(hé)高(gāo)校的(de)專家學者反應, 補償收縮混凝土工程裂滲事故有随著(zhe)用(yòng)量激增而增多(duō)之勢,這(zhè)值得(de)我們深思和(hé)總結教訓,隻有這(zhè)樣才能把我國膨脹劑的(de)開發應用(yòng)研究沿著(zhe)健康的(de)方向發展。
參考文獻:
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