混凝土的裂縫防治是混凝土工程界長期以來致力解決的一大技術(shù)問題。
混凝土在硬化過程中和干燥過程中，由于化學收縮、干燥收縮、自收縮等原因，存在體積收縮的問題，而混凝土的抗拉強度低(只有其抗壓強度的1/10以下)，加之混凝土脆性較大，抵抗變形的能力較差，所以實際混凝土結(jié)構(gòu)中很容易產(chǎn)生裂縫。在保證結(jié)構(gòu)安全和耐久性的前提下，裂縫是一種可以接受的材料特征，許多混凝土結(jié)構(gòu)是允許混凝土帶縫工作的。然而，近年來，隨著結(jié)構(gòu)尺寸的增加和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜化，以及混凝土強度等級的提高，結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的幾率大大增加，有些已危及結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，影響其使用功能。眾多裂縫控制方法中，利用膨脹劑的收縮補償作用控制混凝土裂縫的方法在工程中最為普遍。
在混凝土結(jié)構(gòu)修補、設(shè)備底座灌漿等工程中，如果采用普通混凝土或砂漿，則它們在硬化過程和隨后的干燥失水過程中，體積收縮，無法與結(jié)構(gòu)原有部分有效粘結(jié)，而灌漿材料則會與設(shè)備底座接觸部分脫開，起不到緊密接觸、承擔載荷的作用，在這一類混凝土或砂漿中摻加膨脹劑是解決問題的唯一途徑。
預(yù)應(yīng)力混凝土的發(fā)明成功解決了混凝土的抗拉和抗開裂問題，但是對于形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)物，預(yù)應(yīng)力鋼筋難以張拉，如薄壁混凝土管、異型截面梁等。在這些結(jié)構(gòu)混凝土中，如果摻加了膨脹劑，則可以利用混凝土硬化過程中本身產(chǎn)生的膨脹作用，對內(nèi)部所配制的鋼筋進行各個方向上的“張拉”，從而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，這就是所謂的自應(yīng)力混凝土。
混凝土膨脹劑是指摻入混凝土后，能使混凝土在硬化過程中因化學作用產(chǎn)生一定體積膨脹的外加劑。
為了解決混凝土收縮開裂的問題，人們最開始利用導致混凝土膨脹破壞的破壞源——水泥桿菌(即鈣礬石)的膨脹作用，變害為利，補償混凝土的收縮，取得成功。在這項工作中，美國科學家Lossier于1936年前后奠定了重要基礎(chǔ)，他利用鈣礬石的膨脹作用制備了化學預(yù)應(yīng)力混凝土。隨后，美國開始開發(fā)研制膨脹水泥。
1958年，美國人A.克萊因(A.Klein)研制成功了一種硫鋁酸鹽型水泥，取名K型水泥，并取得了膨脹水泥得專利。該水泥在1963年開始用于收縮補償混凝土，并大量生產(chǎn)，在多種結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。
美國AC15中將膨脹水泥分為K型、M型和S型三種類型。其中，K型膨脹水泥由波特蘭水泥、無水硫鋁酸鈣、石膏和煅燒石灰以一定比例配合而成；M型膨脹水泥由波特蘭水泥、高鋁水泥和石膏配合而成；S型膨脹水泥則由波特蘭水泥、鋁酸三鈣和石膏配合而成。
1965年到1972年間，日本購買了美國K型膨脹水泥專利，并在此技術(shù)基礎(chǔ)上，研制成功了硫鋁酸鈣膨脹劑(Calcium Sulfo-Aluminate，簡稱CSA)。這種膨脹劑是用石灰石、礬土和石膏配制生料，經(jīng)電融燒制成的一種含有C4A3S、CaO和CaSO4的熟料，然后將其粉磨成粉狀產(chǎn)品，這種產(chǎn)品應(yīng)用于收縮補償混凝土和自應(yīng)力混凝土，取得很大成功。
可見，混凝土膨脹劑是在膨脹水泥基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種外加劑。日本是世界上最先開發(fā)膨脹劑的國家。
1970年，日本小野田公司還成功開發(fā)了石灰系膨脹劑，它是用石灰石、石膏和粘土配制成生料，經(jīng)1400℃左右煅燒成含有40%-50%的游離氧化鈣膨脹熟料，再經(jīng)粉磨制成石灰系膨脹劑。它通過CaO水化生成Ca(OH)2使混凝土產(chǎn)生膨脹，但是由于水化后的穩(wěn)定性受許多因素影響，Ca(OH)2的膠凝性和防滲性較差，抗硫酸鹽侵蝕性能不良，這種膨脹劑并未受到普遍重視。
上世紀90年代后期，美國的P.K.Mehta等為解決大體積混凝土溫差裂縫問題，提出了在水泥中摻入5%MgO的設(shè)想。他認為，只要MgO煅燒溫度控制在(900~950)℃之間，物料粒徑控制在(300~1180)μm，MgO所產(chǎn)生的膨脹速率是符合補償大體積混凝土冷縮要求的。MgO膨脹劑也是膨脹劑中重要的種類之一。
我國從20 世紀70年代開始進行混凝土膨脹劑的研究，中國建筑材料科學研究院研制成功了類似于日本CSA的硫鋁酸鈣膨脹劑，與日本電融法的區(qū)別是，他們采用回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)法制備CSA熟料，粉磨至比表面積為(2000-3000)cm2/g而制成膨脹劑。
1979年，安徽省建筑科學院在明礬石膨脹水泥基礎(chǔ)上研制成功明礬石膨脹劑（EA-L），由不煅燒明礬石與石膏粉磨而成。由于其摻量大、堿含量高，目前已經(jīng)被淘汰。
1985年后，中國建筑科學研究院研制成功氧化鈣—硫鋁酸鈣型復(fù)合膨脹劑（CEA），用含40%~50%的游離氧化鈣膨脹熟料，與明礬石和石膏粉磨而成，隨后又研制成功用鋁酸鹽水泥熟料、明礬石和石膏磨制而成的鋁酸鈣膨脹劑（AEA）以及用特制硫鋁酸鹽熟料、明礬石和石膏粉磨而成的U型膨脹劑（UEA）。
此后國內(nèi)各科研單位相繼研制出了更多種類的膨脹劑，例如同濟大學研制的早強型硫鋁酸鹽膨脹劑，長江科學院研制出的大壩混凝土膨脹劑，以及山東建筑科學研究院研制的PNC膨脹劑等等。
混凝土膨脹劑的用途十分廣泛，主要用在補償收縮混凝土、填充用膨脹混凝土、灌漿材料和自應(yīng)力混凝土中，如表8-1?；炷僚蛎泟┻€常被作為防水劑的原材料，膨脹劑與減水劑、緩凝劑等復(fù)配使用可以同時滿足混凝土在減水、緩凝和防水、膨脹等方面的技術(shù)要求。
我國膨脹劑雖開發(fā)較晚，但由于推廣應(yīng)用工作開展得較好，1990年銷量達到1.8萬噸。隨著摻膨脹劑的補償收縮混凝土結(jié)構(gòu)自防水、超長無縫設(shè)計和施工方法以及大體積混凝土裂滲控制三大應(yīng)用技術(shù)的推廣，膨脹劑的銷量逐年遞增，1994年達到18萬噸，1998年達到30萬噸，2003年達到60萬噸，2005年更是達到100萬噸，居世界同類產(chǎn)品之首，見圖8-1所示。
表8-1 混凝土膨脹劑的適用范圍
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用途 |
適用范圍 |
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補償收縮混凝土 |
地下、水中、海水中、隧道等構(gòu)筑物、大體積混凝土(除大壩外)、配筋路面和板、屋面與廁浴間防水、構(gòu)件補強、滲漏修補、回填槽等。 |
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填充用膨脹混凝土 |
結(jié)構(gòu)后澆帶、隧洞堵漏、鋼管與隧道之間的填充等。 |
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灌漿用膨脹砂漿 |
機械設(shè)備的底座灌漿、地腳螺栓的固定、梁柱接頭、構(gòu)件補強、加固等。 |
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自應(yīng)力混凝土 |
僅用于常溫下使用的自應(yīng)力鋼筋混凝土壓力管、鋼筋混凝土船等。 |
圖8-1 我國混凝土膨脹劑的年用量遞增趨勢
目前，混凝土膨脹劑的研究和應(yīng)用技術(shù)隨已較成熟，但是如何在保證膨脹劑作用效果的情況下，盡可能地減少膨脹劑組分中的堿含量、改善膨脹劑與減水劑之間的適應(yīng)性，以及提高混凝土整個生命周期中膨脹產(chǎn)物本身的體積穩(wěn)定性，仍是需要研究和解決的課題。
