混凝土膨胀剂浅谈
文/ 孙 密 严世鑫
摘 要:本文简要介绍了膨胀剂的发展概况,对膨胀剂的种类、作用机理及特性作了精炼的总结和概括, 并对我国膨胀剂的发展应用概况作了简要的总结。
关键词:膨胀剂; 混凝土;作用机理; 种类
作 者:中南大学土木建筑学院
一、混凝土膨胀剂的发展概况
混凝土膨胀剂是在膨胀水泥基础上发展起来的一种混凝土外加剂, 1936年, H.Lossier 发明了膨胀水泥, 1958年, A. Klien在此基础上开发了K型膨胀水泥, 1964年正式投入生产。日本是最先发展膨胀剂的国家,从1962年到1970年,它成功研制了硫铝酸钙膨胀剂和石灰系膨胀剂。此外,俄罗斯、美国、澳大利亚、保加利亚等开展了混凝土膨胀剂的研制。我国从20世纪70年代进行混凝土膨胀剂的研究,至今大致经历了“高碱高掺- 中碱中掺- 低碱低掺”三个阶段。
二、膨胀剂的种类、作用机理及特性
混凝土膨胀剂按化学成分可以分五类:硫铝酸钙类; 氧化镁类;石灰类; 氧化铁类;复合类。
1 硫铝酸钙类膨胀剂
作用机理:硫铝酸盐系膨胀剂是工程中最常见的膨胀剂,其品种很多, 主要包括CSA膨胀剂和明矾石膨胀剂, 产生膨胀能的原因是由于硫铝酸钙水化物(钙矾石) 的生成,其反应通式为:
6CaO+ 3Al2O3 + 3SO3 + 96H2O = 3CaO [1]AlO2O3 [1]3CaSO4 [1]32H2O
对钙矾石的膨胀机理,主要存在两种理论:即结晶膨胀和胶体吸水膨胀。米哈依洛夫认为膨胀是由于钙矾石的晶体长大而产生晶体压力所至。Mehta 认为, 钙矾石的膨胀是由于其表面带电负性, 胶状钙矾石比表面积打及特殊的晶格结构, 在饱和Ca( OH)2 溶液中会吸附大量的水肿胀,而不是钙矾石形成过程中产生膨胀。
特性:一般, 硅酸盐水泥水化的缩减值在8%左右, 那么,要形成多少钙矾石才行呢? 游宝坤进行了理论计算,计算结果为,每100g 水泥中, 应该生成的钙矾石数量不应小于理论值25g。
2 氧化镁类膨胀剂
作用机理: 氧化镁系膨胀剂主要是通过氧化镁水化生成氢氧化镁结晶( 水镁石)而产生膨胀, 体积可增加940%~1238%: MgO+ H2O = Mg(OH)2
唐明述院士等, 自20世纪70年代起就对MgO水泥的化学机理做了长期的研究, 他提出:
A. 掺MgO水泥浆体的膨胀起因于Mg(OH)2 晶体的生成和生长。
B. 膨胀值的大小主要取决于生成Mg( OH)2 晶体所在的位置和Mg( OH)2 晶体的尺寸。
C. 膨胀的直接驱动力来自于Mg( OH)2 晶体的肿胀力和结晶压力。
D. 普硅- 粉煤灰晶体的低碱度空隙液和多空结构, 使得部分Mg( OH)2 晶体趋于往空洞中生长, 从而使Mg( OH)2 晶体生长的空间增大。
特性: 由于方镁石在常温下的水化反应时间相对较长, 膨胀效应发挥较慢,因此被用来补偿由于温度变化引起的收缩和后期收缩。
3 石灰系膨胀剂
作用机理: 氧化钙遇水发生水化,形成氢氧化钙: CaO+ H2O = Ca( OH) 2
这是一个放热过程, 且水化产物的体积将增加近1倍。但由于氧化钙接触水后水化十分激烈, 且放热量大,所以生石灰不能直接用作膨胀剂, 长江普通石灰和硬脂酸按一定比例共同磨细而成, 一方面起到助磨剂的作用, 另一方面在球磨机球磨的过程中使其表面黏附了硬脂酸, 起到憎水隔离的作用, 延缓了CaO的水化速度, 从而控制膨胀速率。
特性: 石灰系膨胀剂由于膨胀速率对温度、湿度等环境影响十分敏感而难于控制,生产及使用时间不能间隔过长,保质期短而较少用于一般混凝土的补偿收缩,目前主要用于设备灌浆, 职称灌浆料,用于大型基础设施的基础灌浆和地脚螺栓的灌浆。
4 氧化铁系膨胀剂
作用机理:氧化铁类膨胀剂是在铁粉中掺加适量的氧化剂和催化剂,使铁氧化,然后利用氧化铁与碱的作用生成氢氧化铁、氢氧化亚铁而使混凝土体积膨胀。
Fe+ Rxn + H2O = FeXn + R( OH)n+ H2
FeXn+ R( OH)n = Fe( OH)n+ RXn
式中RX为离子型催化剂。
特性:此类膨胀剂的主要特点是膨胀稳定期较早、耐热性好, 适用于干热高温环境,但膨胀量不太大, 主要作为收缩补偿剂使用。
5 复合型膨胀剂
含有两种及两种以上膨胀源的膨胀剂通常称为复合膨胀剂。如: 硫铝酸钙- 氧化钙类膨胀剂, 石灰- 明矾石复合膨胀剂等。
三、小结
经过多年来的开发应用, 我国混凝土膨胀剂得到较广泛的应用, 累计总量约500万吨, 以膨胀剂平均掺量40kg/m3计,折合补偿收缩混凝土近7500万m3。其中UEA膨胀剂约占总量的70%左右。尤其在与防水有关的工业、地下、水工、地铁、隧道和水电等钢筋混凝土结构工程中取得了良好的应用效果。但随着用量的增大, 有些设计、科研和高校的专家学者反应, 补偿收缩混凝土工程裂渗事故有随着用量激增而增多之势,这值得我们深思和总结教训,只有这样才能把我国膨胀剂的开发应用研究沿着健康的方向发展。
参考文献:
[1] 游宝坤. 李乃珍. 膨胀剂及其补偿收缩混凝土[ M]. 北京: 中国建材工业出版社,2005: 1.
[2] 施惠生. 孙振平. 邓恺. 混凝土外加剂实用技术大全[M]. 北京: 中国建材工业出版社,2008: 127-133.
[3] 田培. 刘加平. 王玲. 冉千平. 混凝土外加剂手册[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009: 139-143.
