膨胀水泥介绍.doc

膨胀水泥的简介和发展趋势

一.应用背景和现状

膨胀混凝土是一种特种混凝土，它包括补偿收缩混凝土和自应力混凝土两大类，已在中、苏、美、日等国推广应用，技术经济效益显著。
自从1936年法国发明膨胀水泥并制成膨胀混凝土以来，随着科学技术的进步和使用经验的积累，膨胀混凝土的品种、原料、性能以及应用范围不断增加与扩大。现在，膨胀水泥、膨胀剂、膨胀混凝土的品种已增加到十多种；性能除膨胀这一主要特性之外，还随着品种的不同，分别具有高
强、早强、抗掺、耐硫酸盐侵蚀和低温硬化等优良的性能。充分利用上述诸性能，已使膨胀混凝土的应用范围从最早的填缝、修补、处理接头等扩展到防水工程、，地下工程、要求早强和高强度的工程、低温施工、多种自应力混凝土制品与构件、装配整体式工程以至大体积混凝土及油井堵塞等方面。有些膨胀混凝土在利用工业废渣、地方资源，节省能源，缩短工期，降低造价等方面，收到了良好的效果。
根据我国资源条件和建设的需要，可以预见，膨胀混凝土定将能够得到迅速的发展。众所周知，开裂问题是水泥混凝土百余年来都未能很好地解决的技术难题。膨胀混凝土以其膨胀(实际上是限制条件下的膨胀)来抵消(或补偿)部分或全部导致开裂的收缩，从而减轻或避免了水泥混凝土的开裂，因此它具有十分广泛的用途；另外，膨胀混凝土的应用，还有利于提高建筑物的耐久性，延长其安全使用期，从而取得很大的经济效益。这种补偿收缩功能，使膨胀混凝土成为一种极有发展前途的防渗结构材料。膨胀混凝土有足够的膨胀能来张拉钢筋(并且能够根据钢筋配置的方向作多向张拉)产生预应力。虽然目前预应力值还不大，但已能满足压力管、板、筒、槽等制品以及路面、地坪、双向薄壁结构等的需要；还能够与预应力混凝土配合使用，发挥部分预应力以及减少预应力损失等有利作用。在不远的将来，膨胀混凝土将代替相当一部分普通混凝土而大量应用于混凝土制品、构件与构筑物之中。
膨胀混凝土的历史要比普通混凝土晚一百年，加上种种社会、经济等方面的原因，这项技术的发展速度与需要相比，还是相当缓慢的。膨胀混凝土的应用中，至今还存在不少问题，诸如测试方法、标准规范、应用技术以至基础理论等，均尚待深入研究，以便提出更好的解决方法。只有通过深入而细致的工作，才有可能真正发挥这种特种混凝土的功效，扩大其应用范围，大幅度地增加产量，充分挖掘这一高效能材料的潜力。

二．定义和特性

膨胀水泥是指在水化和硬化过程中产生体积膨胀的水泥，一般硅酸盐水泥在空气中硬化时，体积会发生收缩。收缩会使水泥石结构产生微裂缝，降低水泥石结构的密实性，影响结构的抗渗、抗冻、抗腐蚀等。膨胀水泥在硬化过程中体积不会发生收缩，还略有膨胀，可以解决由于收缩带来的不利后果。
膨胀混凝土是用膨胀水泥或膨胀剂配制的水泥混凝土。除具有补偿收缩和产生自应力功能外，还具有抗渗性强、早期快硬、后期强度高（或超过100MPa）、耐硫酸盐能好等特点。 　　
适用于地下、防水、贮罐、路面、屋面、楼板、墙板、管道、接缝、锚固、大跨与高层建筑、水利工程、海水工程、冬季施工工程、抢修工程等。
1.由膨胀水泥配制的混凝土在水中自由膨胀率为8～10×10-4，可在混凝土中建立0.2～0.6MPa的自应力，满足补偿收缩要求，可减少或防止混凝土收缩开裂；2.膨胀水泥混凝土抗渗标号大于S30，又称自防水混凝土。用该水泥配制自防水混凝土，省工省料、缩短工期、且耐久性好；3．新型膨胀水泥早期强度高，后期强度增长较大，长期强度稳定上升；4.膨胀水泥配制的混凝土因内部建立有膨胀自应力,与钢筋产生更强的握裹力；5．不含氯盐，对钢筋无锈蚀。

三．膨胀混凝土的原理

膨胀水泥混凝土的几种膨胀机理阐述如下：
(1)结晶态膨胀组分由于晶体生长穿透周围物质而向外生长（晶体生长理论）。
(2)凝胶态膨胀组分由于吸水而体积增大(吸水肿胀理论)。
(3)在水化过程中通过膨胀成分的分离而形成共存孔。在各种情况下，对于与“化学收缩”共存的“膨胀”而言，“硬化结构中孔的形成”或“低密度凝胶态水化物的形成”是需要的。为了定量考察孔和凝胶态水化物的形成，需作进一步研究和讨论，包括化学收缩和自收缩(或自膨胀)。在由钙钒石或CH形成而发生膨胀的情况下在膨胀成分表面发生的局部化学反应理论比进入溶液反应理论更为广泛地被接受。膨胀中重要的因素不仅仅是膨胀组分的水化，而且在于其周围水化物的形成，其驱动力来自于膨胀组分的物质传递。也就是说膨胀不会发生，除非硬化基体结构由于水泥水化而形成。同样重要的是膨胀剂与水泥二者的水化必须在适当的时间发生。

四．常见膨胀水泥的类别和应用范围

1.硅酸盐膨胀水泥
主要是用于制造防水沙浆和防水混凝土。适用于加固结构、浇筑机器底座或固结地脚螺栓，并可用于接缝及修补工程。但禁止在有硫酸盐侵蚀的水中工程中使用。
2.低热微膨胀水泥
凡以粒化高炉矿渣为主要组分，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成的具有低水化热和微膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为低热微膨胀水泥。主要适用于要求较低水化热和要求补偿收缩的混凝土、大体积混凝土，也适用于要求抗渗和抗硫酸盐侵蚀的工程。
3.硫铝酸盐膨胀水泥
  凡以适当成分的生料，经煅烧所得以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量二水石膏细末而成的具有可调膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为硫铝酸盐膨胀水泥。主要用于浇筑构件节点及应用于抗渗和补偿收缩的混凝土工程中。
4.自应力水泥
 　膨胀水泥中膨胀组分含量较多，膨胀值较大，在膨胀过程中又受到限制时（如钢筋限制），则水泥本身会受到压应力。该压力是依靠水泥自身水化而产生的，称为自应力，用自应力值（兆帕斯卡）表示应力大小。其中自应力值大于2MPa的称为自应力水泥。

五、膨胀混凝土在实际工程中的应用

以铝粉膨胀剂水泥为例。
铝粉膨胀剂水泥: 用铝粉作膨胀剂配制的水泥, 且能使混凝土( 纯浆) 在水化过程中产生一定的体积膨胀, 并在有约束条件下产生适宜自应力的水泥。铝粉作为膨胀剂, 实际上是一种发气剂, 即通过与水泥浆的化学反应产生气体, 实际上在压浆时并未起明显的膨胀作用, 因为这个时候水泥浆是饱满的, 其所产生的气体大部分通过排气孔排出, 而在水泥浆硬化过程中水泥浆产生了干缩, 为避免在狭长的水泥浆体内产生裂缝、断层的现象, 通过发气来补偿水泥浆的干缩。对于强度而言并无性质上的变化。而其发气补偿的过程也是在一个封闭的空间中进行的, 即补偿了干缩即可, 多余的气体仍然会排出水泥浆外, 其膨胀率也很小。
水泥的膨胀, 在含有钢筋的构件中, 膨胀也要求靠握裹力和高的强度将膨胀能传递给钢筋。只有强度, 没有膨胀不产生膨胀能; 只有膨胀, 没有相当的强度, 也不会有足够的膨胀能来张拉钢筋。所以膨胀是前提, 强度是保证, 缺一不可。对于铝粉膨胀剂水泥, 由于铝粉水解产生铝离子, 会与水中的氢氧根离子结合生成氢氧化铝絮状物与水泥中的氧化铝结合产生复杂成份的铝胶, 其在水化过程中, 产生膨胀致使水泥构件体积膨胀。如果水灰化、铝粉掺量控制不当, 其产生的强度明显下降, 膨胀过小或过大。一般情况下, 铝粉膨胀剂水泥不适宜进行大体积浇注构筑物, 使用水泥量多的工程。微膨胀水泥在生产过程中, 其主要作膨胀剂成份的高铝水泥, 是在水泥生产过程中, 经过调整生产配方, 有目的地提高水泥中的铝酸钙和二铝酸钙这两者与石膏遇水化合后, 生成钙矾石。硅酸盐水泥是作为强度成份。水化过程中所生成的钙矾石, 在开始时堵塞水泥石内部孔隙、强度有所增长。随着水化的继续, 钙矾石数量增多,尺寸长大, 就会产生膨胀、削弱和破坏水泥石的结构, 使强度下降。但与此同时, 强度成份又会修补和增强水泥石结构, 增进强度并阻碍膨胀。具有膨胀性的水泥, 我们要求其有较高的膨胀率, 又要有足够强度。
在具体施过程中，具有膨胀性质的水泥, 在自由膨胀时, 并不会产生自应力, 如果限制越大, 则自应力越高。若配制捣浇含有钢筋的构件, 配筋率越高, 限制越大, 则产生的自应力值也越高, 但也并不是成正比。而有一最佳的筋率。由于抗压强度与膨胀率成反比, 而膨胀率又与限制程度成反比,因此限制越大, 抗压强度越高。
我们使用的水泥, 必须首先要保证有足够的强度和一定的膨胀率。膨胀率与水灰比的大小, 掺加膨胀剂的量以及抗压强度有直接关系。
1) 工程量较小, 且强度要求不高, 膨胀率调控容易, 一般水泥量使用不多项目, 采用铝粉膨胀剂水泥。例如, 屋面防水、地下防水、贮水池、裂缝修补、孔洞压力灌浆、机械设备不受力部份灌浆、钢筋( 索) 灌浆保护、管道接头填充和防水堵漏等。由于铝粉作膨胀剂, 可根据使用环境、条件、施工现场浆体的使用量多少, 现场配制。铝粉先与水拌匀后, 再随水加入水泥中, 混和时搅拌均匀。对于浇筑细小的裂缝和孔洞要求采用压力灌浆, 压力宜控制在0.5～0.7Mpa; 当孔道较长或采用一次压浆时, 最大压力为1.0Mpa。压浆应使用活塞式压浆泵, 不得使用压缩空气。

六，膨胀水泥的未来展望

对于未来的混凝土，势必将向绿色环保、低量高能、可回收、高翔率等发展。建筑材料会逐步地发展到以其材料本身的先进性（幼稚的、生产能耗低的材料）；生产过程的安全性（低噪声、无污染）；材料使用的合理性（节能的、可回收的）。
对于未来的膨胀混凝土，势必也向着怎么一个趋势发展。目前的膨胀剂市场，良莠不齐，许多厂家打着领先世界先进水品的旗号，却不知世界先进水品是何物。一些不法商贩，甚至伪劣假冒产品，严重扰乱了市场秩序，影响成质量。然而，随着科技的进步、法律法规的逐步完善和行业竞争的渐渐规范，市场将淘汰低劣的产品，未来的膨胀混凝土将越来越好。

摘录：《高性能膨胀混凝土》 作者:王栋民著 中国水利水电出版社  出版日期:2006  
《膨胀混凝土》 作者:吴中伟，张鸿直著 中国铁道出版社  出版日期:1990.10  
《铝粉膨胀剂水泥和微膨胀水泥的工程应用》 作者：陈志勇 《建筑与工程》 2007 年第13 期