對混凝土膨脹劑應(yīng)用中幾個(gè)問題的探討
2006-08-16 00:00
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摘 要：混凝土膨脹劑作為主導(dǎo)外加劑品種之一，應(yīng)用日趨廣泛，但問題也越來越多。本文對此進(jìn)行了研究。
關(guān)鍵詞：混凝土；膨脹劑；應(yīng)用；問題；探討
1 二次鈣礬石生成
二次鈣礬石形成（Secondanz Substguent EttringiteFormation，SEF）指的是后期在砂漿和f昆凝土孔、裂縫、界面中鈣礬石的析出（圖1～圖3）。
 二次鈣礬石的形成主要有三個(gè)條件必須滿足，缺一不可：
?。?）漿體或混凝土含有一定量的硫和鋁，它們可來自水泥熟料、混合材、外加劑和集料。水泥熟料中的硫以硫酸鉀（鈉）、KC2S3、CaSO4的形式存在，少量以包裹體或固流體形式存在于硅酸鹽相中，熟料中的硫?qū)ε蛎洓]有顯著影響。對于發(fā)生二次鈣礬石形成的水泥，SO4含量系數(shù)超過3．6%。混合材的摻入降低了水泥的CaO濃度，能減少二次鈣礬石形成而造成的膨脹。
?。?）漿體或混凝土中存在鈣礬石析出的空間。漿體一集料界面，由堿一集料反應(yīng)、凍融（凍一鹽溶）循環(huán)、干濕循環(huán)以及超常外荷載產(chǎn)生的裂縫為鈣礬石的形成提供了場所。尤其是堿與活性集料間產(chǎn)生的反應(yīng)必然引發(fā)二次鈣礬石的形成。如用石灰石代替硅質(zhì)集料，SEF產(chǎn)生的膨脹會減少，凈漿中因沒有集料和薄弱環(huán)節(jié)一界面，很少發(fā)生二次鈣礬石膨脹，游離氧化鎂的存在將促進(jìn)鈣礬石的形成和膨脹。
（3）漿體或混凝土能得到充足的水供應(yīng)，水一方面運(yùn)送參加反應(yīng)的離子和離子團(tuán)，另一方面構(gòu)成鈣礬石晶體。長期處在于空氣中的混凝土是不可能有二次鈣礬石形成的。
2 干縮與冷縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式
鈣礬石形成過程中的CaSO4由石膏提供，ca（OH）2主要由水泥中C3S和C2S水化產(chǎn)生的ca（OH）2提供，而A12O3則由鋁質(zhì)膨脹組份（如高鋁熟料、地開石、偏高齡土、明礬石）提供。正常情況下，水泥中含有5% 一l1%C3A，但在混凝土塑性階段這種C3A很快水化形成鈣礬石，幾乎對混凝土膨脹與補(bǔ)償收縮不起作用。所以，必須提供額外的含鋁組份，由這些額外的含鋁組份生成的鈣礬石具有補(bǔ)償收縮功能。
一般水泥中含有4%~6%二水石膏作緩凝組分，相應(yīng)帶入約2%~3%的SO3，故膨脹劑組分應(yīng)補(bǔ)充2．5% ～3．5%SO3，才能使水泥石產(chǎn)生補(bǔ)償收縮所需要的的膨脹值（按脹縮臨界值的SO3為4．78%計(jì)算）。
由水泥水化理論可知，石膏的溶解速度越快，鈣礬石形成的速度也趲陜，有效膨脹效能降低。基于上述觀點(diǎn)，我國膨脹劑生產(chǎn)時(shí)多以含雜質(zhì)較少，溶解速度較慢的硬石膏（硬石膏中SO 3>48%）作為膨脹劑含硫組分。
普通水泥混凝土的干縮率約為4×10-4，當(dāng)其干縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便導(dǎo)致混凝土構(gòu)件開裂；另一方面，混凝土的極限延伸率為4×l0-4，當(dāng)干縮率超過極限延伸率時(shí)，混凝土構(gòu)件亦會開裂。在混凝土中摻用適量膨脹劑，可補(bǔ)償混凝土收縮，防止開裂。
吳中偉在他的《膨脹混凝土》專著中，針對大體積混凝土提出冷縮與干縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式。由此可知，當(dāng)降溫在早期產(chǎn)生時(shí)，濕養(yǎng)下的補(bǔ)償收縮混凝土正在進(jìn)行膨脹，直到ε2—（S2+Se）—ST=0或不超過極限拉伸SK時(shí)，應(yīng)達(dá)到補(bǔ)償收縮的目的。他指出，由于現(xiàn)行的大體積混凝土的溫度控制代價(jià)十分高昂，故采用補(bǔ)償收縮混凝土是控制大體積結(jié)構(gòu)工程裂縫的有效方法。近十多年的工程實(shí)踐證明，該理論是正確的。
但必須指出，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入使用狀態(tài)后，仍受到環(huán)境溫度和濕度變化的作用，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力仍可能出現(xiàn)微裂，因此，地下室及時(shí)回填土和地上結(jié)構(gòu)要盡早封閉圍墻是防止后期裂縫出現(xiàn)的重要措施。如果不及時(shí)維護(hù)，在氣溫驟然下降時(shí)，往往出現(xiàn)溫差裂縫。對此，補(bǔ)償收縮混凝土是無能為力的。
3 限制膨脹率的確定
限制膨脹率εp是膨脹混凝土設(shè)計(jì)中非常重要的參數(shù)，也是建筑結(jié)構(gòu)抗?jié)B防裂設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。工程設(shè)計(jì)人員和材料工程師都十分關(guān)注εpoεp數(shù)值大，表示膨脹值高，其補(bǔ)償收縮、抗?jié)B防裂的能力就強(qiáng)；反之，εp數(shù)值小，抗?jié)B其防裂的能力就弱。目前，在設(shè)計(jì)地下室、地下鐵道、無縫路面時(shí)，ε2已被作為一項(xiàng)重要指標(biāo)提出。
前面已經(jīng)介紹，混凝土干縮約為0．04%，混凝土極限延伸率為0．02%，若同時(shí)考慮自收縮和冷縮，則限制膨脹率至少應(yīng)介于0．02%和0．04%之間，而其最大值應(yīng)不超過0．1%。
吳中偉在《膨脹混凝土》一書中提出，實(shí)踐證明經(jīng)過14d潮濕養(yǎng)護(hù)的限制膨脹率εp=0．03%~0．05%的補(bǔ)償收縮混凝土是可行的。美國規(guī)范則規(guī)定補(bǔ)償收縮混凝土經(jīng)7d潮濕養(yǎng)護(hù)達(dá)到的限制膨脹率為0．03%~ 0．1%。
上述限制膨脹率指標(biāo)對補(bǔ)償收縮混凝土建筑物的防裂具有極其重要的作用，因?yàn)檠a(bǔ)償收縮混凝土經(jīng)7~14d的潮濕養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)的限制膨脹率后，就進(jìn)入了使用狀態(tài)，依靠達(dá)到的限制膨脹率和自應(yīng)力值，來補(bǔ)償此后的各種收縮，使結(jié)構(gòu)的收縮應(yīng)力得到大小適宜的補(bǔ)償，從而控制裂縫的出現(xiàn)，達(dá)到防止開裂，提高抗?jié)B能力的目的。
補(bǔ)償收縮的通式為 εp一ΣS m=D
式中ΣSm 是各種收縮之和，D為補(bǔ)償收縮的最終變形，即剩余變形。在補(bǔ)償干縮時(shí)ΣSm只限于干縮率Sdo在同時(shí)要補(bǔ)償干縮Sd和冷縮Si時(shí)。
ΣSm =Sd+Sio
在不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力的構(gòu)件中D≥0，在不允許出現(xiàn)開裂的構(gòu)件中D≤ ︱Sk︱；Sk 為混凝土的極限延伸值，即混凝土構(gòu)件出現(xiàn)可見裂縫時(shí)的最大應(yīng)變（其值為負(fù)），可取值為0．02%（負(fù)值）。如某具有抗?jié)B防裂要求的混凝土工程，采用低水膠比混凝土，根ΣSm 為0．05%，Sk 等于0．02（負(fù)值）， 因?yàn)椋?/DIV>
εp一ΣSm =Sk
則εp一0．05%=0．02%因此εp =0．03%。
4 超長結(jié)構(gòu)膨脹加強(qiáng)帶的構(gòu)造原則
1992年，中國建材院最先提出了UEA補(bǔ)償收縮混凝土超長結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)和施工新方法。混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)、施工是以摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土為結(jié)構(gòu)材料，以加強(qiáng)帶取代后澆帶，連續(xù)澆筑超長混凝土結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。該技術(shù)所采用的加強(qiáng)帶寬2rn，帶兩側(cè)架設(shè)密孔鋼絲網(wǎng)，并用鋼筋加固，防止混凝土流入加強(qiáng)帶內(nèi)。適當(dāng)增加帶內(nèi)溫度鋼筋。施工時(shí)先澆帶外混凝土，澆到加強(qiáng)帶時(shí)改用大摻量膨脹劑的混凝土。由于膨脹作用會使混凝土強(qiáng)度降低，因而帶內(nèi)混凝土等級要比兩側(cè)提高5MPa。加強(qiáng)帶混凝土澆筑后要特別注意加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)。如此循環(huán)施工可連續(xù)澆筑100~150m的超長結(jié)構(gòu)。膨脹加強(qiáng)帶的設(shè)計(jì)一般根據(jù)外約束情況的強(qiáng)弱而確定。一般每隔20m~40m左右設(shè)置一條，寬度2000mm~3000mm，設(shè)置在溫度收縮應(yīng)力較大的部位，如變截面、鋼筋變化等部位。在加強(qiáng)帶的兩側(cè)設(shè)置一層孔徑Ф5mrn鋼絲網(wǎng)，并200mm~300mrn設(shè)一根豎向Ф16rnrn的鋼筋予以加固，其上下均應(yīng)留有保護(hù)層，鋼絲與鋼絲網(wǎng)、上下水平鋼筋及豎向加固筋必須綁扎牢固，不得松動，以免澆筑混凝土?xí)r被沖開，造成兩種混凝土混合，影響加強(qiáng)帶的效果。
5 關(guān)于膨脹劑含堿量
將混凝土含堿量3kg／m3 作為安全界限已被許多國家采用。在外加劑品種中，摻量最大的是混凝土膨脹劑（一般與減水類外加劑復(fù)合摻用），可達(dá)到膠凝材料用量的10% ~15% （通常為8% ~10%）。由此，作者認(rèn)為，外加劑引入混凝土中的堿應(yīng)不大于10% ~15% ×3kg／m3 即0．30—0．45kg／m3。這一計(jì)算結(jié)果的下限值與日本規(guī)范相同。
6 結(jié)束語
本文是作者的經(jīng)驗(yàn)之談，可能存在一定的片面性，希望能夠起拋磚引玉的作用，更希望和同行進(jìn)行交流，以提升我國混凝土膨脹劑的應(yīng)用水平。 |
| 原作者： 王新平 |
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