论膨胀剂的不可替代性

[摘要] 本文针对目前工程界流传的“粉煤灰、矿渣粉等矿物质掺和料以及缓凝高效减水剂、有机纤维等材料可以代替膨胀剂”的论调, 从混凝土材料科学的基础理论入手, 剖析了混凝土材料组成与性能的关系, 详细比较了膨胀剂与粉煤灰、矿渣粉等矿物质掺和料以及缓凝高效减水剂、纤维等材料组成及性能的异同, 讨论了膨胀剂的作用机理并阐述了膨胀剂的独特性, 提出并深入论证了膨胀剂的不可替代性。

[关键词] 膨胀剂混凝土粉煤灰

[中图分类号] TU528.042 [文献标示码] A [文章编号] 2007- 02- 0001- 04

1 混凝土组成与性能的关系

　　混凝土组成:

　　第一层次: 胶凝材料, 集料( 砂、石) , 水, 化学外加剂;

　　第二层次:

　　胶凝材料包括水泥+矿物质掺和料, 后者包括膨胀剂、速凝剂、磨细矿渣、粉煤灰、硅灰等;化学外加剂包括减水( 高效减水) 剂、缓凝剂、早强剂、引气剂、防冻剂等。

　　混凝土性能:

　　力学性能———如强度、弹性模量等;工作性能———流动性( 坍落度及其损失) , 保水性( 常压及压力泌水率比) , 含气量及其损失, 离析现象等;耐久性———如抗冻性、抗渗性、体积稳定性、抗化学侵蚀性、钢筋锈蚀、AAR反应等。

　　混凝土组成与性能的关系:

　　材料科学基本观点: 材料组成决定材料的微观结构进而决定材料的宏观性能。此观点适用于混凝土材料。具体体现在以下方面:

　　波罗米公式: 混凝土水胶比决定其强度;基体材料( 胶凝材料水化物) 、增强材料( 集料如砂石) 以及二者的界面结构均是决定最终产物混凝土性能的组成相, 哪一部分成为其中的薄弱环节, 哪一部分将成为控制混凝土性能的瓶颈;适度的含气量可使混凝土的抗冻融性成数倍的增加;

　　砂石集料合理的级配可以制得具有更优异性能的混凝土;控制C3A和R2O的含量可以降低混凝土的水化热并改善混凝土的工作性;通过采用优质水泥、合理的掺合料、适当级配的集料和优质的化学外加剂在加上合理的混凝土配合比可以制备出高性能混凝土;化学外加剂可以减少混凝土的用水量、调整其凝结时间、调整混凝土含气量、改善低负温硬化性能;矿物质掺合料在混凝土中具有形态效应、填充效应、化学效应等。

2 矿物质掺合料在混凝土中的作用

　　化学外加剂是混凝土的第五组分, 矿物质掺合料是第六组分, 二者的联合使用推动混凝土材料进入到高性能混凝土的新阶段。

　　矿物质掺合料包括: 粉煤灰、磨细矿渣、膨胀剂、偏高岭土( 煅烧煤矸石) 、硅灰、沸石粉等, 其作用有相同之处, 更有不同之处, 具体表现在:在颗粒形态效应和填充效应方面表现出较多相似性, 通过与水泥粒子的颗粒匹配和相互填充减少了孔隙率, 提高了性能; 但几种掺合料表现也各不相同, 粉煤灰与硅灰是收尘而得, 由于表面张力的作用呈球型颗粒, 流动性更好, 而另外几种掺合料是物理磨细而成, 呈不规则形状, 则流动性差一些;在化学性能方面几种掺合料则表现出明显的不同:

　　磨细矿渣是钙铝硅质材料, 具有自胶凝性, 加水后本身可以水化形成C- S- H凝胶, 逐渐硬化, 与水泥复合体系中, 水泥水化释放出的CH可以激发磨细矿渣的活性, 加速其水化硬化;粉煤灰、偏高岭土( 煅烧煤矸石) 、硅灰、沸石粉等均为铝硅酸盐材料, 在化学上为具有潜在活性材料, 水泥水化产生的CH与这些铝硅酸盐材料中的活性硅和活性铝反应可形成二次水化产物CS-H和水化铝酸钙凝胶;膨胀剂则是自身或吸收部分水化产物而形成钙矾石AFt或CH, 产生膨胀特性, 对水泥混凝土水化过程中的收缩具有一种减少和补偿作用, 另外, 在外部限制情况下, 适度的膨胀能够改善混凝土的孔结构和孔级配, 进而改善混凝土的耐久性, 更为重要的是, 限制膨胀过程中导入混凝土内部的预压应力对补偿后期混凝土收缩产生的拉应力非常有效。

3 膨胀剂的类型及其作用机理的剖析

　　美国ACI标准中有三种膨胀水泥, 即K型, M型和S型。K型膨胀水泥由波特兰水泥与无水硫铝酸钙( 3CaO·3Al2O3·CaSO4简写C4A3S) 、石膏(CaSO4)和煅烧石灰组成。M型膨胀水泥由波特兰水泥与高

铝水泥和石膏(CaSO4) 以合理的比例混合而成。S型膨胀水泥由普通波特兰水泥与大量的铝酸三钙(C3A) 和石膏混合而成。

　　在美国膨胀水泥基础上, 日本、前苏联、中国等研究成功钙矾石型, CaO型, MgO型, 复合型等多种类型混凝土膨胀剂, 其中以硫铝酸钙最具代表性。图1表示了与硫铝酸钙相联系的三元系统膨胀剂的相图。当包含这些矿物的一个组分水化时会产生各种水化产物。在这些水化产物中, 下列产物具有膨胀性: 钙钒石(C3A·3CaSO4·32H2O) , 在T点表示; 单硫型水化硫铝酸钙(C3A·CaSO4·12H2O) ,在M点表示; 在CaO处表示的氢氧化钙[Ca(OH) 2]。

膨胀产物水化时体积变化的计算如下:

　　水化前后总体积增加率为100%×( 2175- 234-368- 101- 1728) /( 234+368+101+1728) =- 10.5%

　　水化后固相体积增加率为100%×( 2175- 234-368- 101) /( 234+368+101) =210%

　　水化前后总体积增加率为100%×( 975- 234-92- 101- 648) /(234+92+101+648)=- 9.3%

　　水化后固相体积增加率为100%×(975- 234-92- 101)/(234+92+101)=128.3%

　　水化前后总体积增加率为100%×( 33- 16.7-18) /(16.7+18)=- 4.9%水化后固相体积增加率为100%×(33- 16.7)/16.7=97.6%膨胀剂的水化和膨胀机理可以分为溶解- 结晶理论、就地反应理论、复合型( 膨胀发射- 跳越)理论等。其中溶解- 结晶理论也称为晶体生长理论, 即指固相中Ca2+, Al3+, SO42- 等离子或离子基团

　　在水溶液的作用下加入液相( 溶解过程) , 当离子液相浓度相对于水化产物形成过饱和时, 水化产物从液相析出( 结晶过程) , 析出后并且不断长大。就地反应理论也称吸水肿胀理论, 认为固相不溶解加入液相, 而是液相中水分子加入固相与其中物质反应结合产生肿胀( 即膨胀) 。在这两种经典理论的基础上, 新近又出现了复合型( 膨胀发射-跳越) 理论。

　　总之膨胀剂是以其在水化硬化过程中产生膨胀性水化产物而补偿水泥水化硬化过程中产生的收缩为其独到性和存在基础的。

4 膨胀剂的不可替代性

4.1 膨胀剂与其它组分所具有的共同性或相似性

　　在抗裂防渗方面:

　　磨细矿渣、粉煤灰可降低大体积混凝土水化热, 对防止混凝土水化温升开裂有效;缓凝高效减水剂可减少混凝土单方水泥用量、降低水化热, 推迟水化热温峰出现时间并降低温峰高度, 提高混凝土抗开裂性;纤维包括钢纤维和化学纤维均可分散应力,提高混凝土抗裂性;减缩剂可以减少混凝土的收缩值, 从而提高混凝土的抗开裂性;

　　这些混凝土的组分在提高混凝土的抗开裂性方面与膨胀剂有一定的相似之处, 但在反应机理及工效方面仍有着本质的不同。

4.2 膨胀剂的独特性

　　前面已经提到膨胀剂的独特性在于其在水化硬化过程中可以产生膨胀性的水化产物, 这些膨胀性水化产物可以有效补偿普通水泥混凝土在水化硬化过程中由于水泥水化而带来的体积收缩,从而克服可能由此而引起的收缩开裂。一个典型的应用是用于后浇带。后浇带是指混凝土在收缩完成以后的一种“二次”浇注混凝土, 通常用膨胀混凝土浇注。由于这种混凝土良好的膨胀特性, 使得与两侧的“一次”混凝土形成良好的整体结构。显然这种“二次”混凝土采用所谓粉煤灰、减水剂、纤维等都不能达到同样理想的效果。这充分显示了膨胀剂的独特性。分析表明膨胀剂的独特性具体反映在原理的独特性( 膨胀与补偿收缩) 、化学成分的独特性(C4A3S, CaO等) 、水化产物的独特性( 生成Aft, CH等) 以及应用的独特性。膨胀剂性能的独特性决定了其应用中一定程度的不可替代性。目前膨胀剂以其补偿收缩为基本原理在结构自防水、超长结构无缝设计与施工、大体积混凝土裂缝控制等方面均得到了成功而广泛的应用。

5 对膨胀剂市场现状的评述与讨论

　　膨胀剂的研究与应用在我国经历了基础理论研究、产品研发、谨慎推广、推广、普遍应用、过度应用、问题暴露、置疑与反思、整顿与重新认识这样一系列的过程, 经历了从无到有、从小到大、从优到滥的过程, 大众用户的认识经历了从敬畏到不屑的心路过程。目前的真实情况是在一批品质优良的制造企业的周围有更多品质不良的企业,他们生产的膨胀剂产品膨胀率达不到国家标准的要求、碱含量超标、掺量大, 却大量的进入市场。就混凝土生产企业而言, 在正确使用之外, 尚有不少偷工减料、名义上掺加实际上不掺或少掺的企业。究其根源一是与市场混乱有关, 二是与一段时间以来膨胀剂的过度推广有关。许多生产厂家的销售人员在院所工程师的支持下为了追求产销量过度推销产品, 使得很多在技术上本可以不用膨胀剂的场合都使用了膨胀剂, 结果用户发现用和不用或少用膨胀剂的混凝土均很好, 未出现裂缝。于是错误地得出结论: 膨胀剂加和不加一样,膨胀剂没有什么效果。并将这一结论加以普遍地推广。进一步是在必须掺加膨胀剂的工程或工程的特定结构部位少加甚至不加膨胀剂, 而对外宣称掺加了膨胀剂, 结果出现了很多实质性的问题。最后不知情者又错误地将罪过归结于膨胀剂, 对膨胀剂的有效性提出置疑。于是进入了死循环。其实早在1998年吴中伟院士即已经敏感地认识到这一问题, 他在南昌会议上大声疾呼: 要重视质量、正确应用、规范市场。吴总在学术会议上通常都是讲学术问题的, 但在这次会议上他老人家确语重心长地讲了很多规范市场的问题。游宝坤、赵顺增等专家也在很多场合、多次撰文讲膨胀剂的规范生产和应用问题。这些对行业健康发展起到了良好作用, 但力度仍然很不够, 尚需全行业的整顿与反思。

　　事实上一些错误认识仍在进一步扩大和蔓延。如某些知名的结构专家和施工方面的专家提出, 为控制混凝土的结构和变形裂缝, 可以用粉煤灰、磨细矿渣等矿物质掺和料和缓凝高效减水剂来代替膨胀剂而实现, 有的提出可以用纤维代替膨胀剂实现混凝土的防裂抗裂。这些论点出自“名家”之口, 使得原本混乱的膨胀剂和补偿收缩混凝土的市场更加混乱, 很容易导致出现新的“膨胀无用论”, 其根源同样在于认识的片面性。诚然在一些场合采用粉煤灰、磨细矿渣等矿物质掺和料和缓凝高效减水剂, 可以减少水泥用量、降低水化热、推迟水化热温峰出现时间, 降低混凝土温差开裂可能性, 这也正是我们推崇的粉煤灰、减水剂、膨胀剂三掺技术的基础。但是前二者却无论如何也不具有膨胀和补偿收缩的技术特性。同样化学纤维的加入, 可以防止混凝土塑性阶段的开裂, 但它也不能主动地补偿混凝土的收缩。就像人体需要不同的微量元素一样, 混凝土组成成分也有其自身的合理性, 某些成分在某些性能的材料( 混凝土) 中是必须的, 是不可替代的。

　　众所周知, 水泥混凝土是世界上迄今为止最大宗的人造材料, 这种状况仍然会持续到未来相当长时间。混凝土有两个固有的材料特征, 其一是在水化硬化过程中强度增长同时伴随着的体积变形———收缩, 其二是混凝土材料低的拉压强度比。

　　当收缩引起的混凝土内部的拉应力超过混凝土的抗拉强度时, 混凝土即发生断裂( 开裂) 。通常认为裂缝是混凝土结构最大的缺陷, 它将导致水分、CO2、Cl- 等有害介质的侵入, 加速钢筋锈蚀而降低耐久性, 并造成漏水等使用功能的降低或丧失。

　　为了解决混凝土收缩开裂的缺陷, 国内外研究利用膨胀水泥( 剂) 制备膨胀混凝土来补偿普通混凝土地根本缺陷而取得极大成功。英国皇家工程学院副院长、混凝土权威AdamNeville博士非常赞叹膨胀混凝土的独特性, 他倡导扩大膨胀混凝土的应用。

　　本文作者对膨胀剂的观点是: 应该在新的更高的层次上进行膨胀剂和补偿收缩混凝土的科学普及与宣传, 让一些接触和使用过膨胀剂的用户和一些自以为已经是膨胀剂“专家”的人士真正地能够掌握膨胀剂和补偿收缩混凝土的真谛, 真正能够正确地使用。生产厂家以及一些院所工程技术人员严禁为了眼前和暂时的利益而进行的过度、片面、错误的宣传, 最终葬送行业的前程。正确的做法是: 在膨胀剂合理合适的应用领域和应用范围严格认真地用好膨胀剂; 在一些不适宜使用膨胀剂的场合, 坚决禁止使用; 在一些可用可不用的场合最好不用。最终还膨胀剂一个好的名声, 让大家知道膨胀混凝土是一类具有特殊性能的、在特定相应场合使用的优质混凝土。

　　以上从材料学角度论述了膨胀剂的不可替代性, 提出了作者对膨胀剂的观点。膨胀剂的发展经历了一系列过程, 其原理决定了其特性和应用。对于应用工程师而言, 学习和掌握膨胀混凝土的原理是正确认识和应用的基础。