膨胀混凝土的近期技术动向.pdf

第 4 0卷 第 7期 2 0 1 3年 7月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c hn i qu e De v e l o p me nt Vo 1 40， No 7 J u 1 2 01 3 膨胀 混凝 土 的近 期 技 术 动 向 朱航征编译 用 于混 凝 土 的 膨 胀 材 料 ， 开 发 至 今 已有 3 0多 年 。混凝土使用膨胀材料具有抑制干燥收缩和温度 应 力 引起裂 缝 的效 果 ， 这 在 膨 胀 材料 开 发期 间 已积 累 了大量 研究 成 果 。特 别 是 在 最 近 ， 有 关 膨胀 材 料 定量 评价 的研 究盛 行 ， 还 有 低 添 加 型 膨 胀 材料 的普 及应用 ， 与一般商品混凝土相 比， 在建筑工程和土木 工程 中的使用 比例均有所增加 ， 甚至大幅度地增加。 1膨胀 材料 的膨 胀机 理 膨胀材料在混凝土 固化过程 中， 通过水化反应 ， 被认为是一种能使混凝土体积增加的一种外加剂。 按膨胀材料反应生成物质 的不 同， 大致分为钙矾石 系和石灰系。关于膨胀材料 的膨胀机理有膨润说 、 粉化说等， 尚未完全 明确。表 1所示为膨胀材料在 反应 中， 经质量和相对密度 的计算所取得 的体积 ， 表 明在反应后体积有所减少 。但以钙矾石系结 晶与氢 氧化钙结晶， 由于空隙的形成和增长 ， 因而使表现体 积 随之 增长 ， 这 一说法 比较有力 。 表 1 膨胀材料的水化反应 与体 积变化 膨胀材料种类 水化反应与体积变化 钙矾石系 3 C a O 3 A I 2 O 2。 C a S O 4+ 6 C a O+8 C a S Ol + 9 6 H2 O 一3 ( 3 C a O A 1 2 O 3 3 C a S Ol 3 2 H 2 O) 质量变化 6 1 0+ 3 3 6+1 0 3 8+l 7 2 8 _ + 3 7 6 2 密 度 2 6 1+ 3 3 4+2 9 6+1 0 0 1 7 3 体积变化 2 3 4+1 0 1+3 6 8+1 7 2 8 ( 计 2 4 3 1 ) 一2 1 7 5 体积变化率 ( 2 1 7 5 2 4 3 1 )1 0 0 2 4 3 1 =一1 0 5 石灰系 C a O+H2 0 _ + c a ( OH) 2 质量变化 5 6+l 8 7 4 密度 3 3 1+1 O O 2 2 4 体积变化 1 7+l 8 ( 计 3 5 ) 一3 3 体积变化率 ( 3 3 3 5 )1 0 0 3 5=一 5 7 膨 胀材 料 的 主 要化 学 反 应 的分 类 如 表 2所示 。 表中的 A、 D为硫铝酸钙、 氧化钙 、 无水 石膏与水 反 应 生成 的膨 胀成 分为 钙矾 石 ； B为铝 酸 三 钙 、 石 膏 与 水反应 同样生成钙矾石 ； C 、 F为氧化钙( 生石灰 ) 与 水反应生成 的是氢氧化钙 ； E的反应与前述硫铝酸 钙和氢氧化钙具有相同的生成物 。这些反应都是主 要反 应 ， 实际 上水 泥 中的主要 矿 物质是 硅 酸三钙 、 硅 酸二钙 ， 与间隙质的水化反应是一种竞争反应 ， 也是 一 种复杂反应 。由于膨胀材料的水化反应生成物与 水泥水化生成物是相 同的， 对一般混凝土固化体 的 组织结构 因而不致有大 的变化 ， 对强度等性能也不 致有 大 的影 响 。 表 2化学反应式 类别 化学反应式 3 Ca O 3 AI 2 O3。Ca S O4+6 Ca O +8C a S O4+9 6 H2 0 A D _ 3 ( 3 C a OA 1 2 O 3 3 C a S O4 3 2 H2 O) ! ： + 3 C a S O + 3 2 H2 0 B - , 3 Ca O AI 2 O3。3C a S O43 2 H2 O C， F +Hz 0一 3 Ca O 3A1 2 O3Ca S O4+6 Ca O +8 Ca S O4+9 6 H2 O E - - + 3 ( 3 C a O A 1 2 O 3 3 C a S O 4 3 2 H2 O) c a _o o+ H z 0 一 ! 坚 2膨胀 混凝 土 的基本 性能 膨胀 材料按 单轴约 束膨 胀试 验 ( 含筋 率约 为 1 ) ， 其标准混合量 7 1 4 d的膨胀量为( 1 5 02 5 0 ) 1 0 。近来开发的低添加型材料 ， 其特点是 ： 添加 量少却能获得具有以往膨胀材料相 同的膨胀性能 ， 并提高了经济性 。此外 ， 面对混凝土制品又开发了 一 种具有旱强性轴的高性能膨胀材料 ， 随之对膨胀 材料 的需要量也 日渐增 加。关 于低 膨胀材料 的应 用 ， 有关材料的混合量与单 轴约束膨胀率 的关系如 图 1 所 示 。 第 4 0卷 朱航征 ： 膨胀混凝土 的近期技 术动 向 第 7期 图 l 单 位 膨 胀 材 料 用 量 与 约 束 膨胀率 、 抗压强度 比 一天约束抗压强度 比； 约束膨胀率 由可知 ， 采用以往膨胀材料 的 2 3添加量 即 可获得所需膨胀性能。使用膨胀材料对于燥收缩应 力 、 自收缩应 力 、 温度 应力 引起 的各 类 收缩裂 缝 具有 抑制 效果 ， 这 已由 以往 的研 究 所 明确 。还有 ， 在 膨胀 混凝土的多轴约束弯 曲构件裂缝发生后而被抑制进 展 ， 说 明具有缓慢释放拉应力等效果。但是一直 以 来有关膨胀材料抑制裂缝效果的定量评价仍是一项 有待解决 的课题。 3 抑 制 温度 裂缝 的效 果 对于大体积混凝土的温度应力分析已有一些解 析程序方案 。其 中有关膨胀材料 的效果 ， 过 去均 以 线膨胀系数的变更和发生应力的降低表示 。在进行 大体积混凝土温度应力预测 时， 如想取得精确 良好 的效果 ， 必须能合理地反映混凝土早期对蠕变 的解 析。然而 ， 在混凝土早期 ， 水泥固化 的基体在 固化过 程 中 ， 受 温度 和应 力 的影 响表 现为一 种 复杂状 态 ， 在 实验 中很难掌握。 有研 究人 员 在实验 中通 过不 同温度膨 胀 应变 导 出的回归曲线 ， 推断 出任意大体积养护温度滞变下 的变形 ， 与一定 温 度养 护下 膨胀应 变 相重 合 的方法 。 利用这一方法即可大致地对大体积养护温度下膨胀 应变发展状况进行评价 。以下是对有关膨胀应变评 价方法 的一些研讨。约束膨胀变形 与约束含钢率的 关系以基于力的平均与变形的适合条件以曲线形式 表示 。曲线 中包含表现 自由膨胀变形与表现纵弹性 模量两个未知数 ， 但其 中至少有 2个约束 含钢率 的 约束膨胀应变为已知即可求得 。表观纵弹性模量考 虑到了时刻变化 的膨胀应力相应的弹性变形与蠕变 变形这两者。基于各养护条件下的约束膨胀变形 的 实测值 ， 进行回归求 出表现膨胀变形和表观纵弹性 模量。考虑到温度滞变 的变形与表 观纵弹性模量 ， 将其编入有 限单元法程序 ， 各膨胀 应力 即可进行精 确计算 。 按 以上方法进行的推算值与实测值的比较结果 如图 2所示。图中的计算值为表观纵弹性模量仅 考虑温度滞变的影 响； 计算值为 附加人蠕变降低 比的结果 。按计算值评价膨胀应力过大； 反之， 按 计算值则可对实测值进行精度 良好地评价。本法 有关 细节 可参 照相 关文 献 。 图 2膨胀应力 的推定值与实测值 的比较 4早强 型膨 胀材 料 混凝土制品长期在货粉堆放引起 的干燥收缩裂 缝 以及大量使用高炉矿渣粉与低水胶 比引起 的自收 缩裂缝都有必要进行抑制。此外 ， 在混凝土制 品厂 为提高生产率 ， 常通过早期脱模提高周转数 ， 还需面 对蒸气养护中节能与制品表面美化要求等。以此为 背景 ， 相应开发了早强型混凝土使用 的一种膨胀材 料 。为研究这种早强型膨胀材料 ， 使用 了能使游离 石灰量提高的膨胀熔渣。图 3为改变膨胀熔渣细度 作为基材置换 2 0 水泥 ， 用微小热量计进行反应性 探讨 的结 果 。结果 表 明 ， 细 度大 ， 达 到水化 热 高峰 时 问就短 ， 在水化热 高峰 时的最大发热速度就快。这 一 结 果 与 以往 关 于液相 中生 石灰 和氢 氧化 钙 的过饱 和度能使水泥的硅酸三钙加速水化 的研究结果是一 致 的。 即 ， 在实 验范 围 内 ， 可 以确认 的是 ： 细 度大 ， 必 能促进强度发展。硅酸三钙的水化随温度上升 ， 水 化发热速度即加大。因此 ， 可以预见 ， 蒸气养护在高 温下的水化促进效 果将进一 步提高。关 于无 水石 81 、 丑 骥 搭 啪 鲫； 2 姗枷栅瑚瑚挪瑚啪瑚如o 0 ) 哥 避 日 鲁 邂酱磐 第 7期 朱航 征 ： 膨胀混凝 土的近 期技 术动向 第 4 0卷 膏 ， 由于它能阻碍钙矾石向单硫酸盐转移 ， 可望强度 增加 ， 但混合量较大 ， 膨胀性能将降低 。为此 ， 对于 膨胀熔渣， 如适量添加混合无水石膏， 将有助于获得 早强性能和膨胀性能。还有可以确认 的是材龄时间 短 ， 早强性大， 如混凝土使用的水泥为硅酸三钙含量 大的早强水泥 ， 由于具有促进水化的效果 ， 因而可以 获得早期的高强度。图 4为其试验结果 。如图中所 示 ， 无膨胀材料混合 时， 与普通膨胀材料相 比， 可 以 确认的是 ， 其早期强度呈增加状态 ， 特别是在使用早 强型水泥时更具有强度大为增加的效果 。 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 时间 t 图 3 膨胀熔渣 的细度 与反应性 图 4使用 的水泥 与早期 强度 5高强 混凝 土 中的应用 近年来 ， 超 高层建 筑 物采用 超 高强混 凝 土 的 施工实 例 日渐增多。高强混凝土与超 高强混凝土 由于硅灰 等微粉 和低水 灰 比的应用 ， 随之 出现 的 是有关 白收缩裂缝 的疑虑 。抑制 自收缩裂缝可使 用膨胀材料 ， 但用 于高强混凝 土 ， 经 确认 即使在干 燥条件下 ， 也会 引起较 大 的再 膨 胀。这种再 膨胀 会引起 高强 混凝土 后期强 度 的降低 。据 推测 ， 即 使在干燥条件 下引起 再膨胀 ， 是 由于混 凝 土 中残 存有大粒度膨胀 材料 ， 吸水 后进 行水化 反应 因而 引起再 膨胀 。作 为 防止再 膨 胀 的对策 如 图 5所 8 2 示 ， 经确认使 用易 于早期 进行反 应 的早 强型 膨胀 材 料 是 有效 的 。 图 5高强混凝土的 自收缩与再膨胀 6膨胀 材料 的 实际用 途 为使化学预应力 即 自应力外压强度提高， 如箱 涵和离心力钢筋 混凝土管 的生产 均混合有膨胀材 料。还有现场浇注的膨胀混凝土 ， 一般均在标准混 合量 的范围内适量使用 ， 但 已有研究表明， 如进一步 加大混合量 ， 就可有效利用其 自应力作 用。例如连 续结合梁在中间支点的负弯曲梁， 为控制产生裂缝 ， 经试验采用了高膨胀性混凝土。这项研究 ， 经足尺 试验获得了良好评价 ， 且可抑制长期 白应力的降低 。 在桥墩抗震加固时 ， 已有实例表明， 在基体设置 高膨胀混凝土环形结构， 其混合量超过 5倍 的标准 添加量。经突变荷载试验 ， 其弹性极 限应力 和应变 能分别提高了 3 0 。近来 自瘛式混凝 土也 已有应 用实例。这主要是利用 了上述高强超高强混凝土 ， 由于膨胀材料未反应颗粒在裂缝发生后经吸水发生 水化 反应 ， 因而引起 了再 膨胀 。 膨胀材料具有广泛的应用领域 ， 如机械基础、 桥梁 承座、 抗震加固使用了无收缩砂浆以及静力破碎剂等。 7 膨胀混凝土的今后课题 有关干燥收缩裂缝 问题 ， 目前虽然 尚未 明确其 分析方法 ， 但在设定条件下已有能表现收缩应力降 低效果的提案。此外 ， 最近的研究表明， 膨胀混凝土 在发生裂缝前即具有延伸能力。今后 ， 对干燥收缩 裂缝有关膨胀材料效果定量化 问题 ， 仍有待取得进 一 步的研究成果。随着混凝土结 构物高耐久 性要 求 ， 膨胀混凝土以其固有特点 ， 今后将会获得进一步 的普及和推广。 一 一 0 ， f 】 ， 莓 誊一