對混凝土膨脹劑應用中幾個問題的探討

　　二次鈣礬石的形成主要有三個條件必須滿足，缺一不可：

 

　　（1）漿體或混凝土含有一定量的硫和鋁，它們可來自水泥熟料、混合材、外加劑和集料。水泥熟料中的硫以硫酸鉀（鈉）、KC₂S₃、CaSO₄的形式存在，少量以包裹體或固流體形式存在于硅酸鹽相中，熟料中的硫?qū)ε蛎洓]有顯著影響。對于發(fā)生二次鈣礬石形成的水泥，SO₄含量系數(shù)超過3．6%?；旌喜牡膿饺虢档土怂嗟腃aO濃度，能減少二次鈣礬石形成而造成的膨脹。

 

　　（2）漿體或混凝土中存在鈣礬石析出的空間。漿體一集料界面，由堿一集料反應、凍融（凍一鹽溶）循環(huán)、干濕循環(huán)以及超常外荷載產(chǎn)生的裂縫為鈣礬石的形成提供了場所。尤其是堿與活性集料間產(chǎn)生的反應必然引發(fā)二次鈣礬石的形成。如用石灰石代替硅質(zhì)集料，SEF產(chǎn)生的膨脹會減少，凈漿中因沒有集料和薄弱環(huán)節(jié)一界面，很少發(fā)生二次鈣礬石膨脹，游離氧化鎂的存在將促進鈣礬石的形成和膨脹。

 

　?。?）漿體或混凝土能得到充足的水供應，水一方面運送參加反應的離子和離子團，另一方面構(gòu)成鈣礬石晶體。長期處在于空氣中的混凝土是不可能有二次鈣礬石形成的。

 

 

　　鈣礬石形成過程中的CaSO₄由石膏提供，ca（OH）₂主要由水泥中C₃S和C₂S水化產(chǎn)生的ca（OH）₂提供，而A1₂O₃則由鋁質(zhì)膨脹組份（如高鋁熟料、地開石、偏高齡土、明礬石）提供。正常情況下，水泥中含有5% 一l1%C₃A，但在混凝土塑性階段這種C₃A很快水化形成鈣礬石，幾乎對混凝土膨脹與補償收縮不起作用。所以，必須提供額外的含鋁組份，由這些額外的含鋁組份生成的鈣礬石具有補償收縮功能。

 

　　一般水泥中含有4%~6%二水石膏作緩凝組分，相應帶入約2%~3%的SO₃，故膨脹劑組分應補充2．5% ～3．5%SO₃，才能使水泥石產(chǎn)生補償收縮所需要的的膨脹值（按脹縮臨界值的SO₃為4．78%計算）。

 

　　由水泥水化理論可知，石膏的溶解速度越快，鈣礬石形成的速度也趲陜，有效膨脹效能降低?；谏鲜鲇^點，我國膨脹劑生產(chǎn)時多以含雜質(zhì)較少，溶解速度較慢的硬石膏（硬石膏中SO ₃>48%）作為膨脹劑含硫組分。

 

　　普通水泥混凝土的干縮率約為4×10^-4，當其干縮應力大于混凝土的抗拉強度時，便導致混凝土構(gòu)件開裂；另一方面，混凝土的極限延伸率為4×l0^-4，當干縮率超過極限延伸率時，混凝土構(gòu)件亦會開裂。在混凝土中摻用適量膨脹劑，可補償混凝土收縮，防止開裂。

 

　　吳中偉在他的《膨脹混凝土》專著中，針對大體積混凝土提出冷縮與干縮的聯(lián)合補償模式。由此可知，當降溫在早期產(chǎn)生時，濕養(yǎng)下的補償收縮混凝土正在進行膨脹，直到ε₂—（S₂+S_e）—S_T=0或不超過極限拉伸S_K時，應達到補償收縮的目的。他指出，由于現(xiàn)行的大體積混凝土的溫度控制代價十分高昂，故采用補償收縮混凝土是控制大體積結(jié)構(gòu)工程裂縫的有效方法。近十多年的工程實踐證明，該理論是正確的。

 

　　但必須指出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進入使用狀態(tài)后，仍受到環(huán)境溫度和濕度變化的作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應力仍可能出現(xiàn)微裂，因此，地下室及時回填土和地上結(jié)構(gòu)要盡早封閉圍墻是防止后期裂縫出現(xiàn)的重要措施。如果不及時維護，在氣溫驟然下降時，往往出現(xiàn)溫差裂縫。對此，補償收縮混凝土是無能為力的。

 

 

　　限制膨脹率ε_p是膨脹混凝土設計中非常重要的參數(shù)，也是建筑結(jié)構(gòu)抗?jié)B防裂設計的重要參數(shù)。工程設計人員和材料工程師都十分關注ε_poε_p數(shù)值大，表示膨脹值高，其補償收縮、抗?jié)B防裂的能力就強；反之，ε_p數(shù)值小，抗?jié)B其防裂的能力就弱。目前，在設計地下室、地下鐵道、無縫路面時，ε₂已被作為一項重要指標提出。

 

　　前面已經(jīng)介紹，混凝土干縮約為0．04%，混凝土極限延伸率為0．02%，若同時考慮自收縮和冷縮，則限制膨脹率至少應介于0．02%和0．04%之間，而其最大值應不超過0．1%。

 

　　吳中偉在《膨脹混凝土》一書中提出，實踐證明經(jīng)過14d潮濕養(yǎng)護的限制膨脹率ε_p=0．03%~0．05%的補償收縮混凝土是可行的。美國規(guī)范則規(guī)定補償收縮混凝土經(jīng)7d潮濕養(yǎng)護達到的限制膨脹率為0．03%~ 0．1%。

 

　　上述限制膨脹率指標對補償收縮混凝土建筑物的防裂具有極其重要的作用，因為補償收縮混凝土經(jīng)7~14d的潮濕養(yǎng)護達到設計的限制膨脹率后，就進入了使用狀態(tài)，依靠達到的限制膨脹率和自應力值，來補償此后的各種收縮，使結(jié)構(gòu)的收縮應力得到大小適宜的補償，從而控制裂縫的出現(xiàn)，達到防止開裂，提高抗?jié)B能力的目的。

 

　　補償收縮的通式為　ε_p一ΣS _m=D

　　式中ΣS_m 是各種收縮之和，D為補償收縮的最終變形，即剩余變形。在補償干縮時ΣS_m只限于干縮率S_do在同時要補償干縮S_d和冷縮S_i時。

ΣS_m =S_d+S_io

 

　　在不允許出現(xiàn)拉應力的構(gòu)件中D≥0，在不允許出現(xiàn)開裂的構(gòu)件中D≤ ︱S_k︱；S_k 為混凝土的極限延伸值，即混凝土構(gòu)件出現(xiàn)可見裂縫時的最大應變（其值為負），可取值為0．02%（負值）。如某具有抗?jié)B防裂要求的混凝土工程，采用低水膠比混凝土，根ΣS_m 為0．05%，S_k 等于0．02（負值）， 因為：

 

　　　　ε_p一ΣS_m =S_k

　　則ε_p一0．05%=0．02%因此ε_p =0．03%。

 

 

　　1992年，中國建材院最先提出了UEA補償收縮混凝土超長結(jié)構(gòu)無縫設計和施工新方法?；炷两Y(jié)構(gòu)無縫設計、施工是以摻膨脹劑的補償收縮混凝土為結(jié)構(gòu)材料，以加強帶取代后澆帶，連續(xù)澆筑超長混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。該技術(shù)所采用的加強帶寬2rn，帶兩側(cè)架設密孔鋼絲網(wǎng)，并用鋼筋加固，防止混凝土流入加強帶內(nèi)。適當增加帶內(nèi)溫度鋼筋。施工時先澆帶外混凝土，澆到加強帶時改用大摻量膨脹劑的混凝土。由于膨脹作用會使混凝土強度降低，因而帶內(nèi)混凝土等級要比兩側(cè)提高5MPa。加強帶混凝土澆筑后要特別注意加強養(yǎng)護。如此循環(huán)施工可連續(xù)澆筑100~150m的超長結(jié)構(gòu)。膨脹加強帶的設計一般根據(jù)外約束情況的強弱而確定。一般每隔20m~40m左右設置一條，寬度2000mm~3000mm，設置在溫度收縮應力較大的部位，如變截面、鋼筋變化等部位。在加強帶的兩側(cè)設置一層孔徑Ф5mrn鋼絲網(wǎng)，并200mm~300mrn設一根豎向Ф16rnrn的鋼筋予以加固，其上下均應留有保護層，鋼絲與鋼絲網(wǎng)、上下水平鋼筋及豎向加固筋必須綁扎牢固，不得松動，以免澆筑混凝土時被沖開，造成兩種混凝土混合，影響加強帶的效果。

 

 

　　將混凝土含堿量3kg／m³ 作為安全界限已被許多國家采用。在外加劑品種中，摻量最大的是混凝土膨脹劑（一般與減水類外加劑復合摻用），可達到膠凝材料用量的10% ~15% （通常為8% ~10%）。由此，作者認為，外加劑引入混凝土中的堿應不大于10% ~15% ×3kg／m³ 即0．30—0．45kg／m³。這一計算結(jié)果的下限值與日本規(guī)范相同。

 

 

　　本文是作者的經(jīng)驗之談，可能存在一定的片面性，希望能夠起拋磚引玉的作用，更希望和同行進行交流，以提升我國混凝土膨脹劑的應用水平。