硫鋁酸鈣類膨脹劑

硫鋁酸鈣類膨脹劑

　　硫鋁酸鹽系膨脹劑是工程中最常見(jiàn)的膨脹劑。硫鋁酸鹽系膨脹劑包括很多品種，但其產(chǎn)生膨脹能的原因都是由于硫鋁酸鈣水化物(鈣礬石)的生成，其反應(yīng)通式為：

6CaO+3Al₂O₃+3SO₃+96H₂O→3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O

　　對(duì)于鈣礬石的膨脹機(jī)理存在一定爭(zhēng)議，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鈣礬石的膨脹機(jī)理比較一致的意見(jiàn)可以概括為：

　　1) 膨脹相是鈣礬石，在水泥中有足夠濃度的CaO、Al₂O₃和CaSO₄條件下均可生成鈣礬石，并非一定要通過(guò)固相反應(yīng)生成的鈣礬石才能膨脹，通過(guò)液相反應(yīng)也可以產(chǎn)生鈣礬石膨脹。

　　2) 在液相CaO飽和時(shí)，通過(guò)固相反應(yīng)或原地反應(yīng)形成針狀鈣礬石，其膨脹能較大；在液相CaO不飽和時(shí)，通過(guò)液相反應(yīng)生成柱狀鈣礬石，其膨脹力較小，但有足夠數(shù)量鈣礬石時(shí)，也產(chǎn)生體積膨脹。

　　3) 在膨脹原動(dòng)力方面，一種觀點(diǎn)是晶體生長(zhǎng)壓力；另一種觀點(diǎn)是吸水膨脹。

　　此外，研究還表明，鈣礬石的形成速率和生成數(shù)量決定著混凝土的膨脹效能。若鈣礬石形成速度太快，其大部分膨脹能消耗在混凝土塑性階段，相當(dāng)于做了無(wú)用功。

　　鈣礬石型貌有多種，但最常見(jiàn)的是長(zhǎng)度為幾個(gè)微米的結(jié)晶體(針狀或柱狀)，它在水泥硬化過(guò)程中，于CSH膠粒間結(jié)晶生長(zhǎng)，使水泥石宏觀體積不斷膨脹。在有鋼筋等約束的情況下，鈣礬石晶體引起的膨脹可以使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生0.2MPa以上的自應(yīng)力，這就能對(duì)混凝土起到補(bǔ)償收縮、防止開(kāi)裂的作用。由于所生成的鈣礬石首先填充于水泥石的毛細(xì)孔或氣孔中，并能與纖維狀的CSH凝膠交織成網(wǎng)絡(luò)狀，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密，所以混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性均有較大幅度的提高。

　　屬于硫鋁酸鹽系膨脹劑的主要有CSA膨脹劑和明礬石膨脹劑。

　　CSA膨脹劑來(lái)源于K型水泥的膨脹組分（CaO-SO₃- Al₂O₃），故名CSA。CSA膨脹劑是由石灰、石膏和礬土經(jīng)配料煅燒而成的，其主要成分是無(wú)水硫鋁酸鈣（C₄A₃S）。CSA膨脹劑的摻量可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行調(diào)整，便于控制質(zhì)量。一般情況下，收縮補(bǔ)償混凝土中摻加CSA膨脹劑(25~30)kg/m³，自應(yīng)力混凝土中摻加40~60kg/m³。

　　明礬石膨脹劑是由天然明礬石和無(wú)水石膏磨細(xì)而成。明礬石和石膏與水泥中硅酸鈣水化過(guò)程中析出的Ca(OH)₂相互作用，形成大量的水化硫鋁酸鈣，使混凝土體積膨脹，明礬石形成鈣礬石的速度較慢，都在(7~28)d形成，晶體生長(zhǎng)壓力小，膨脹量也小，與其它膨脹劑相比，達(dá)到相同膨脹率時(shí)，摻量要大。

　　與明礬石相比，若采用高鋁水泥替代部分明礬石與石膏配合，則在相同摻量情況下，膨脹能較大，而且膨脹產(chǎn)生的齡期可以提前，這樣不僅有助于降低膨脹劑的摻量，而且可以降低膨脹劑中的堿含量。圖8-2是以明礬石為主提供鋁相配制的膨脹劑(E1)和以明礬石、高鋁水泥共同提供鋁相配制的膨脹劑(E2)，當(dāng)摻量同為12%時(shí)的砂漿膨脹率(水中)對(duì)比結(jié)果。

圖8-2  兩種膨脹劑的膨脹率隨濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化的比較

(按《混凝土膨脹劑》(JC476-2001)試驗(yàn)，摻量12%，砂漿試件，水養(yǎng))