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膨胀剂在微膨胀防水混凝土中的应用如何?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-08-08

在有约束的防水混凝土工程中,采用膨胀混凝土浇筑可减少收缩裂缝的产生,提高混凝土的密实性,在一定程度上实现混凝土的防水功能。微膨胀防水混凝土就是指采用膨胀水泥或掺加膨胀剂配制的,在凝结硬化过程中产生一定的体积膨胀,补偿因干燥失水、温度变化等原因引起的体积收缩,抑制和减少收缩裂缝的产生,增强混凝土的密实性,从而满足防水工程需要的一类混凝土。

目前,国内膨胀混凝土的配制主要采用膨胀剂,在地下工程及超长结构的防水施工中应用比较广泛。我国已研制出多达十几个品种的膨胀剂,制定了相关标准(GB50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》和JC476—2001《混凝土膨胀剂》),并对膨胀剂的生产、应用进行规范。

一、膨胀剂的类别及化学组成

我国现有十几个品种的混凝土膨胀剂,按化学组成划分,主要有以下几类:硫铝酸钙类、氧化钙类、氧化镁类等。

(一)硫铝酸钙类膨胀剂

硫铝酸钙类膨胀剂是以硫铝酸盐熟料、硅铝酸盐熟料或铝土熟料与石膏配制磨细而成。硫铝酸钙类膨胀剂包括U-1型膨胀、U-2型膨胀剂、U型高效膨胀剂、铝酸钙膨胀剂和明矾石膨胀剂等几个品种,其主要膨胀源为水化硫铝酸钙。它们的基本组成、参考掺量、含碱量见表1。表2为掺有硫铝酸钙类膨胀剂的水泥的物理性能。

(二)氧化钙类膨胀剂

氧化钙类膨胀剂主要包括石灰脂膜膨胀剂和CEA膨胀剂。石灰脂膜膨胀剂是以氧化钙为膨胀源,由普通石灰和硬脂酸按一定比例混磨而成。硬脂酸一方面在研磨过程中起助磨作用,另一方面又粘附在石灰的表面,对石灰起憎水隔离作用,延缓石灰的水化,以控制其膨胀速率。石灰脂膜膨胀剂保质期短,其膨胀速率受温度、湿度影响较大,难以控制,很难用于混凝土的补偿收缩,主要用于设备基础灌浆以减少混凝土的收缩。

CEA膨胀剂是以石灰石、铝土质材料、铁质原料、明矾石等为原料,经1400~1500℃煅烧、研磨而成,其膨胀源以氧化钙为主、钙矾石为次。CEA膨胀剂化学成分和1∶2灰砂比砂浆的限制膨胀率分别见表3、表4。掺10%CEA膨胀剂混凝土试件经水中14d养护后,置于相对湿度50%的25℃空气中养护,1年后仍有0.011%的膨胀率,空气中后期收缩较小。

氧化钙类膨胀剂的后期膨胀可能导致已硬化的混凝土结构开裂、强度降低,工程中已出现此类事例报道。因氧化钙类膨胀剂的残余膨胀问题,日本已禁用该类膨胀剂,北京市建委也曾发文要求该类膨胀剂使用前需按产品掺量测定水泥净浆安定性。GB50119—2003《混凝土外加剂应用技术规范》中规定:氧化钙类膨胀剂配制的混凝土(砂浆) 不得用于海水或有侵蚀性水的工程。

(三)氧化镁类膨胀剂

氧化镁类膨胀剂一般是在800~900℃范围内煅烧菱镁矿,经磨细而制得。氧化镁水化生成氢氧化镁结晶(水镁石),摩尔体积增加1倍多,可引起混凝土的膨胀。氧化镁膨胀剂具有延迟膨胀的性能,在常温下膨胀缓慢。在水工大体积混凝土内温度较高,加速了氧化镁的化学反应,其水化3d后就开始膨胀,1年内趋于稳定,而水泥的水化热主要发生在3d内,其膨胀恰好发生在降温收缩阶段,具有较好的补偿收缩作用。在混凝土内掺入水泥质量5%~9%的氧化镁膨胀剂,可得到性能符合要求的膨胀混凝土。掺氧化镁膨胀剂混凝土的膨胀率见表5。

二、微膨胀防水混凝土的防水机理

普通混凝土在水化硬化过程中会产生各种原因引起的收缩,如干燥收缩、温度收缩、化学减缩等。在已凝结的混凝土内,收缩使得混凝土内存在应力,从而引发微裂缝。这不仅使混凝土的整体性遭到破坏,抗渗性、强度等一系列性能下降;而且还会使外界侵蚀介质更容易进入混凝土内部,使得混凝土耐久性不良。微膨胀防水混凝土就是通过混凝土内膨胀源产生的膨胀能,补偿、抵消混凝土的收缩,从而达到混凝土密实抗渗的目的。

在水化过程中,掺有膨胀剂的微膨胀防水混凝土的氧化钙、氧化镁类膨胀剂自身会发生水化反应,生成膨胀性结晶产物——氢氧化钙、氢氧化镁等,而硫铝酸钙类膨胀剂则与水泥水化产生的氢氧化钙发生反应,生成钙矾石等产物。这些结晶产物的体积较水化前增长1倍左右,构成膨胀源,在混凝土内产生一定的膨胀能,使混凝土产生体积膨胀,补偿或抵消混凝土因干燥等原因引起的收缩,减少微裂缝的产生;在约束的条件下,这些膨胀性产物具有填充、堵塞毛细孔的作用,可改善孔结构,使混凝土孔隙率减少,孔隙直径减小,从而提高混凝土的抗渗性。同时,膨胀性产物还可改善混凝土内的应力状态,膨胀能转变为自应力,抵消混凝土因干燥收缩等引起的拉应力,使混凝土处于受压状态,可提高混凝土的抗裂性能,改善其渗透性。

三、微膨胀防水混凝土的物理力学性能及耐久性

膨胀是微膨胀防水混凝土最主要的特性,因其膨胀特性,使得微膨胀防水混凝土的物理力学性能及耐久性与普通混凝土有不同程度的差别。

对于存在约束的微膨胀防水混凝土,混凝土内的膨胀性产物具有填充、密实混凝土微结构的作用,混凝土的抗渗性得到提高,同时膨胀源产生的膨胀能还可改善混凝土内的应力状态,提高混凝土的防裂抗渗能力。适当的限制条件不仅能提高微膨胀防水混凝土的各种程度,而且与强度相关的性能也同样因限制而得到提高。工程实践表明,存在适当限制的微膨胀防水混凝土的强度一般都超过20MPa。实际工程中,混凝土材料均存在一定的约束条件,如配筋、限制部位等,因此微膨胀防水混凝土的物理力学性能及耐久性一般都略优于普通混凝土。但自由膨胀的情况,膨胀对混凝土的物理力学性能及耐久性起着不利的作用。在一定掺量范围内,随膨胀剂掺量的增加,混凝土的自由膨胀率随之增加,混凝土强度和其他一些物理力学性能随之有一定弱化。当自由膨胀率超过一定值(约0.1%)时,混凝土各种力学性能及耐久会明显劣化。

因膨胀剂的需水性一般高于普通水泥,且早期水化反应速度较快,微膨胀防水混凝土拌合物的流动性低于相同用水量的普通混凝土,其坍落度损失也大于普通混凝土,这是施工中应予注意的问题。但微膨胀防水混凝土一般具有较好的粘聚性,泌水率较低。

水化硫铝酸钙在80℃左右会发生脱水分解,产生体积收缩。因而,凡是掺有以钙矾石为膨胀源的膨胀剂的微膨胀防水混凝土,在高温环境中会出现孔隙率增大、强度下降、抗渗性降低的情况。

四、微膨胀防水混凝土的配制技术要点

微膨胀防水混凝土的材料设计和施工应遵循以下技术要点:

(1)配合比设计及原材料选择。进行配合比设计和原材料选择时,要符合普通防水混凝土的技术要求,水泥用量不能太低,严格控制水灰比,适当提高砂率并采用较小粒径的集料。

(2)限制自由膨胀。约束是实现微膨胀防水混凝土防水功能的必要条件。在自由膨胀条件下,膨胀对混凝土的各种性能有劣化作用,只有在限制条件下,膨胀才能产生各种所需的功能,起到有利作用。一般限制措施为配制钢筋、掺加纤维、邻位限制等。

(3)强化搅拌。对微膨胀防水混凝土应采用机械搅拌,通常搅拌时间不得少于3min,并应比普通混凝土延长30s以上。必须搅拌均匀,以免产生局部过度膨胀。

(4)调控凝结时间。微膨胀防水混凝土施工温度高于30℃时,或混凝土运输、停放时间较长,应采取缓凝措施;冬季施工时,最好复合一些早强剂,如三乙醇胺,以避免温度对混凝土性能的影响。

(5)注意施工、应用环境。微膨胀防水混凝土浇筑温度不宜大于35℃,施工温度不低于5℃,低于5℃时应采取保温措施。以钙矾石为膨胀源的微膨胀防水混凝土不能用于长期处于80℃ 以上的工程,否则混凝土会因钙矾石的脱水分解而导致抗渗性、强度降低。

(6)加强养护。对微膨胀防水混凝土工程应加强养护,一般需要14d的潮湿养护。

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