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1、第十章 混凝土膨胀剂,10.1 膨胀剂的品种与性能10.2 膨胀剂对混凝土性能的影响10.3 膨胀剂的应用10.4 膨胀剂的技术要求,混凝土在浇筑硬化过程中，由于化学减缩，冷缩和干缩等原因会引起体积收缩，其收缩值大约为自身体积的0.04%0.06%。这些收缩给混凝土的体积稳定性，耐久性带来很大的危害。混凝土的收缩会给混凝土造成下列危害。,（1）混凝土的开裂破坏。（2）混凝土抗渗性不好造成渗漏的破坏。（3）混凝土开放性裂缝导致了混凝土中的钢筋锈蚀。（4）混凝土的收缩会影响混凝土的体积稳定性。,1890年发现水化硫铝酸钙引起了水泥石的膨胀，称之为“水泥杆菌”，并认为是对混凝土有害的。1930年法国
2、研究出用水化硫铝酸钙来降低混凝土干燥收缩使混凝土产生自应力，看法才有所改变。为了补偿收缩，最初采用收缩补偿水泥开始。1964年美国学者证明无水硫铝酸钙是一种稳定的化合物，同年他们利用硫铝酸钙的膨胀性取得了膨胀水泥的专利权。随后日本，前苏联都发展的很快，用膨胀水泥配置膨胀混凝土。作为单独的膨胀剂首先是日本开始的。把膨胀剂做为膨胀组分掺入到硅酸盐水泥中。我国是从20世界70年代开开始膨胀剂的研究，而且发展很快。,1.膨胀剂的品种与性能 膨胀剂是一种能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。在普通混凝土中掺入膨胀剂可以配置补偿收缩混凝土。根据膨胀剂化学成分的不同分以下几种类型：硫铝酸盐系膨胀剂；石灰系膨胀
3、剂；铁粉系膨胀剂；氧化镁型膨胀剂；复合型膨胀剂。,（1）硫铝酸盐系膨胀剂 比例最大，使用最广泛，以硫铝酸盐为主的膨胀剂。,我国主要硫铝酸盐膨胀剂,CSA硫铝酸钙膨胀剂的化学成分%,日产膨胀熟料1200吨生产线,生产线,熟料生产线出窑膨胀熟料,熟料生产线检测中心,膨胀剂粉磨流程图,CSA产生钙钒石的化学反应为：,膨胀熟料的SEM图,球形状的CaO晶粒尺寸在10微米左右，CaO晶粒被C3S和C4AF包裹着，延迟了CaO的水化速度。,球形状的CaO晶粒尺寸在15微米左右，由于CaO晶粒尺寸随着煅烧的温度越高，其晶粒尺寸增大。,水泥石的SEM图,掺膨胀剂水泥石的SEM图,UEA是由硫铝酸盐水泥熟料加明
4、矾石，石膏共同磨细制成。其产生膨胀的主要化学反应为：,明矾石,复合型膨胀剂：吸收了石灰型和明矾石膨胀剂的优点，膨胀来源于过烧石灰和钙钒石的双重作用。它是以石灰石，铝土质材料磨制成生料，经14001500煅烧成熟料，再经配料磨细而成。主要产生膨胀性化学反应如下：,(2)石灰系膨胀剂 以CaO为膨胀源，由普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨细而成。硬脂酸，一方面起助磨剂作用，另一方石灰表面粘附了硬脂酸形成一层硬脂酸膜，起到了憎水隔离作用，使氧化钙不能立即与水作用，而是在水化过程中膜逐渐破裂，延缓了氧化钙的水化速度，从而控制膨胀速率。其膨胀反应：,用途：制成灌浆料，用于大型设备的基础灌浆和地脚螺栓的灌浆
5、。使混凝土减少收缩。增加体积稳定性和提高强度。无声爆破时用的静态破碎剂。利用混凝土抗压强度大，抗拉强度小，两者相差1020倍。静态破碎剂在20温度时可以达到30MPa的膨胀压。在424小时内体积膨胀1.52倍。当膨胀应力超过抗拉强度时，被破碎物体发生开裂。在整个过程中无噪声，无粉尘，无毒气。属于无公害的安全爆破。膨胀速率对温度，湿度等环境影响十分敏感而较难于控制，生产及使用时间不能间隔过长，保质期短等原因而较少用于一般混凝土的补偿收缩。,静态爆破,（3）铁粉系膨胀剂方法：铁屑和一些氧化剂、触媒剂、分散剂混合制成，在水泥水化时以Fe2O3形式成膨胀源，其主要反应为：,主要原料：铁屑来源于机械加工
6、的废料，氧化剂有重铬酸盐、高锰酸盐。触媒剂主要是氯盐。还可以加一些减 水剂做分散剂。用途：目前这种膨胀剂用量很少，仅用于二次灌浆的有约束 的工程部位，如设备底座与混凝土基础之间的灌浆，已硬化混凝土的接缝、地脚螺栓的锚固等。,地脚螺栓的锚固,2.膨胀剂对混凝土性能的影响（1）流动度 流动度降低，塌落度损失也会增加，原因是水泥水化的同时膨胀剂也水化生成钙矾石或氢氧化钙，与水泥有“争水”现象。（2）泌水率 泌水率降低些。由于早期膨胀而水化较为充分的原因，但总的影响不十分明显。（3）含气量 各种膨胀剂并无引气性，含气量不受影响。,（4）凝结时间 凝结时间缩短一些。主要是因为膨胀剂早期生成了钙矾石加快了
7、水化速度因而混凝土凝结时间略有缩短。（5）钢筋锈蚀 各种膨胀剂的原材料中均不含有氯离子，且膨胀剂本身均含有一定的碱性，其PH值与水泥相当，因此对钢筋没有锈蚀作用。（6）强度影响 掺加膨胀剂取代等量水泥对混凝土强度无明显的不利影响。早期强度会略比不加的提高一些，而28d强度则会略有一些下降。养护条件好的情况下，后期强度会因为混凝土内部的密实性增加而提高。,（7）抗渗性 膨胀剂在补偿收缩的同时会提高混凝土的密实性。膨胀剂在水化过程中都要生成大于自身体积的水化产物，随着水泥石结构的形成过程它逐步的在水泥石构架中搭接延伸有效地阻塞了空隙和切断了毛细管通路，使结构一步步更加致密而大大的降低了渗透系数，提
8、高了混凝土的抗渗标号，增加了混凝土的耐久性。（8）抗冻性 由于增加了混凝土密实性，其抗冻性能应有所改善，至少不低于不掺的。,3.膨胀剂的应用（1）补偿收缩混凝土,收缩 拉应力大于抗拉强度 裂缝 扩展 渗漏、腐蚀破坏 耐久性下降,膨胀剂：在混凝土凝结硬化的初期14天龄期内产生一定的体积膨胀，用以补偿混凝土收缩。用膨胀剂产生的自应力来抵消收缩应力，从而保持混凝土的体积稳定性。,（2）混凝土自防水 许多混凝土构筑物有防水、抗渗要求，除采取混凝土外部的防水处理外，混凝土的结构自防水也是非常重要的。膨胀剂常常用来做混凝土构件自防水材料。如用于地下防水工程、地下室、地下建筑混凝土、地铁、储水池、游泳池、屋
9、面防水工程等。,（3）自应力混凝土 混凝土在掺入膨胀剂后，除了补偿自身收缩外，在限制条件下还保留一部分的膨胀能力形成自应力混凝土。也就是说混凝土还具有一定的内能形成了膨胀预应力。自应力混凝土可用于有压容器、水池、自应力管道、桥梁、预应力钢筋混凝土。,4.膨胀剂应用的技术要求 膨胀作用和膨胀剂的成分和作用有关，和水泥及混凝土膨胀的条件有关。膨胀剂的膨胀作用有大小不同，更重要的是合理的发挥时间。膨胀作用应当在混凝土具有一定强度的一段时间内以一定的速度增长。如果太早因强度不够，或是混凝土尚有一定塑性时膨胀能力被吸收而发挥不出来；如果膨胀太迟则又会因混凝土已具备较高强度，膨胀作用又可能破坏了已形成的结
10、构。因此了解各种因素的影响，控制好膨胀剂的最佳膨胀作用时间与强度是收到良好效果的必要条件。,（1）水泥的影响 不同的水泥其膨胀率是不一样的，水泥的质量对水中养护、空气养护的膨胀率、抗压强度、抗折强度影响都不一样。主要与水泥中熟料成分有关。膨胀率随水泥中氧化铝和氧化硫含量的增加而增加。矿渣水泥膨胀率大于硅酸盐水泥及普通水泥。水泥用量也影响膨胀率，水泥用量大，膨胀值就高，水泥用量低，膨胀值低。,（2）养护条件的影响 膨胀剂的膨胀作用主要发生在混凝土浇筑的初期，一般在14d以后其膨胀率就趋于稳定。这时也是水泥水化的重要阶段。两者之间就有“争水”现象。如果养护不好就有可能出现：膨胀值不够，或者膨胀速率
11、大于水泥水化速度而影响了强度的发展甚至膨胀力被尚有塑性的混凝土吸收。一般掺有膨胀剂混凝土必须加强养护，在浇筑后的714d必须采取湿养护。,（3）温度、湿度的影响 温度变化不但影响膨胀剂的膨胀速率而且还影响膨胀值，温度过高混凝土塌落度损失大，极限膨胀值减小，温度太低膨胀速率慢且极限膨胀值也减小。如20自由膨胀率为0.08%，而在0时降至0.007%。在龄期40d时，20养护时自由膨胀率达0.1%，而1时只有0.042%。因此最适合的养护温度为1825，最低不应低于5，冬季施工应采用其他辅助手段。,湿度影响也很重要，因为任何膨胀剂的膨胀反应均离不开水，尤其是硫铝酸盐膨胀剂。因为生成钙矾石需要大量水
12、，钙矾石分子中有32个水分子，更需要大湿度的环境。尤其是再混凝土浇筑早期，如果湿度不够，那么即使是延长养护时间也再难达到极限膨胀值。,掺膨胀剂的混凝土与普通混凝土在干燥状态下，均会引起自身的体积收缩，但如果恢复到潮湿环境或浸入水中，掺膨胀剂的混凝土重新恢复膨胀，因收缩产生的裂缝可能重新闭合恢复原状，这就是膨胀混凝土的自愈作用。而普通混凝土的干缩是不可逆的，这种性能对掺膨胀剂混凝土的防水、防渗作用是十分有利的。,（4）混凝土配筋率的影响 膨胀混凝土的膨胀应力与限制条件有很大关系，而在钢筋混凝土中配筋率是主要的限制条件。实验证明，在一定条件下存在一个最佳配筋率的范围，在此范围内膨胀率不很高，但自应
13、力值却较大。一般当配筋率在0.2%1.5%范围内，钢筋混凝土的自应力值随配筋率的增加而增加。,（5）组成和细度 膨胀剂的组成是决定膨胀剂作用的关键。使用最多的硫铝酸盐膨胀剂，膨胀源主要是钙矾石的生长，在水泥中钙矾石的生长速度和数量主要受氧化铝和三氧化硫含量的影响，其中三氧化硫更起到控制作用。膨胀剂中三氧化硫的含量高地可以基本上决定其掺量的大小。石灰系膨胀剂主要决定于活性氧化钙含量的多少。,膨胀剂的细度也会影响其膨胀性能。这一点与水泥细度影响水泥强度的作用差不多。因为粉体细度直接影响其溶解速度，从而影响其生成钙矾石生长的时间和数量，改变膨胀作用在水泥不同强度下发生时间，就会影响膨胀率和自应力值。
14、可以通过改变膨胀剂的细度对强度-膨胀率的配合进行调整。,（6）掺量 混凝土的自由膨胀率是随着膨胀剂掺量的增加而增加的。不同组分的膨胀剂为达到同样效果，可以通过调整掺量来实现。由于用途不同，膨胀剂在混凝土中的掺量也不同，用于补偿收缩、混凝土自防水、抗渗、防裂和自应力混凝土的掺量依次如下：补偿收缩抗渗、防裂混凝土刚性自防水自应力混凝土。,（7）膨胀剂的储存期影响 凡是在膨胀剂生产过程中经过高温煅烧的、含有一些水泥熟料成分的膨胀剂，都容易遇水受潮而影响膨胀性能，因此一般储存期太长，储存不当受潮结硬则必须经过实验增加掺量使用，或者不能使用。以天然明矾石及天然石膏为原料的明矾石膨胀剂储存时间可延长至12年。铁屑膨胀剂也须注意不能受潮生锈，即使是新鲜的膨胀剂也必须注意储存不可露天存放。,
