混凝土膨胀剂机理及应用现状浅谈

摘要：本文对膨胀剂的种类、作用机理及特性作了系统的总结和概括，并对我国膨胀剂的发展应用作了简要的总结。

关键词：混凝土；膨胀剂；作用机理；

1混凝土膨胀剂概况

从有水泥混凝土以来，裂缝问题一直困扰人们，不少学者想尽不同的办法从不同的角度来解决裂缝问题，但从国内外的情况来看，膨胀混凝土是解决这一问题最有效的办法之一[1]。膨胀混凝土是一种特种混凝土，一般是采用膨胀水泥来配制或者通过在普通混凝土配制时加入一定量的混凝土膨胀剂。在我国，目前主要是采用在配制混凝土时加入一定量的混凝土膨胀剂，采用掺加膨胀剂易于控制膨胀量，操作灵活方便，因此在我国被广泛采用。

膨胀混凝土包括补偿收缩混凝土和自应力混凝土两大类，目前已在中国、前苏联、美国和日本等国家推广应用，取得了显著的技术经济效益[2]。膨胀混凝土在水化硬化过程中伴随着自身体积膨胀，能够减小或避免普通混凝土由于水份蒸发、降温等原因引起的开裂。

2膨胀剂的种类及作用机理

混凝土膨胀剂按化学成分大致可以分五类：硫铝酸钙类膨胀剂；氧化镁类膨胀剂；石灰类膨胀剂；氧化铁类膨胀剂；复合类膨胀剂。

2.1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+ 96H2O3CaO・AlO2O3・3CaSO4・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，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才可以满足。

2.2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94.0% ～123.8%，其反应通式为MgO+H2OMg（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：

（1）掺MgO水泥浆体的膨胀起因于Mg（OH）2晶体的生成和生长。（2）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。（3）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。（4）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。

2.3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+H2OCa（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。

2.4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+H2OFeXn+R（OH）n+H2

FeXn+R（OH）nFe（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。

2.5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。

3 国内对膨胀剂的发展应用

近二十年来，补偿收缩混凝土在中国得到了迅猛的发展，应用领域日益扩大。总的说来，在这二十多年中，在吴中伟院士的补偿收缩混凝土理论的指导下，我国混凝土膨胀剂开发应用取得了很大的成绩，膨胀剂的质量从高碱到低碱，从高掺到低掺。掺膨胀剂的补偿收缩混凝土的性能研究日趋系统，其应用技术不断完善，应用范围逐渐扩大，尤其在混凝土裂缝控制方面已成为一种有效的技术措施

从中国近年来的实践看，发展膨胀剂代替膨胀水泥是目前膨胀水泥的发展方向，其开发应用前景非常广阔。与膨胀水泥相比，膨胀剂的优势在于：可以根据工程实际需要选定合理的掺量，使用灵活；防潮性能好，有较长的储存期，粉磨效率提高，生产成本降低等优势。从膨胀剂的膨胀源来看，钙矾石类（即以钙矾石为膨胀源）膨胀剂在当今的膨胀剂生产与应用中占主导地位，这主要是因为钙矾石类膨胀剂膨胀能较高，生产易控制，原材料丰富，生产成本较低。

目前钙矾石类膨胀剂已广泛应用于工程实际，应用的领域也越来越广。主要应用于以下几个方面[3～7]：① 用于结构自防水工程，如高层建筑基础和地下室等；② 配制补偿收缩混凝土，用于刚性防水屋面和侧浴间的刚性防水；③ 配制补偿收缩混凝土，用于特种结构工程，如体育馆看台、污水处理厂、地铁工程、人防工程、电石地下沟、大坝防渗墙等；④ 配制补偿收缩混凝土，用于大体积混凝土结构工程，如大型混凝土结构基础，大型设备基础，以及大型商厦的地下室；⑤ 配制补偿收缩混凝土，用于不裂路面和机场跑道；⑥ 配制补偿收缩混凝土，用于具有超长结构的混凝土底板，延长伸缩缝间距。

参考文献：

[1] 吴中伟，张鸿直编. 膨胀混凝土. 中国铁道出版社.1990.p1-12

[2] 游宝坤，我国混凝土膨胀剂的发展近况和前景，混凝土膨胀剂及其应用（中国混凝土外加剂专业委员会第三届全国混凝土膨胀剂学术交流论文集）中国建材工业出版社，2002.10.p1-10

[3]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.

[4]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.

[5]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

[6] 游宝坤等，U 型混凝土膨胀剂，建筑物裂渗控制新技术（首届全国混凝土膨胀剂学术交流会论文集），中国建材工业出版社，1994.p16-20

[7] 游宝坤，韩立林，周建启，混凝土膨胀剂在水泥制品中的应用，混凝土膨胀剂及其应用（中国混凝土外加剂专业委员会第三届全国混凝土膨胀剂学术交流论文集）中国建材工业出版社， 2002.10 p357-362