論膨脹劑的不可替代性

[摘要] 本文針對(duì)目前工程界流傳的“粉煤灰、礦渣粉等礦物質(zhì)摻和料以及緩凝高效減水劑、有機(jī)纖維等材料可以代替膨脹劑”的論調(diào), 從混凝土材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論入手, 剖析了混凝土材料組成與性能的關(guān)系, 詳細(xì)比較了膨脹劑與粉煤灰、礦渣粉等礦物質(zhì)摻和料以及緩凝高效減水劑、纖維等材料組成及性能的異同, 討論了膨脹劑的作用機(jī)理并闡述了膨脹劑的獨(dú)特性, 提出并深入論證了膨脹劑的不可替代性。

[關(guān)鍵詞] 膨脹劑混凝土粉煤灰

[中圖分類(lèi)號(hào)] TU528.042 [文獻(xiàn)標(biāo)示碼] A [文章編號(hào)] 2007- 02- 0001- 04

1 混凝土組成與性能的關(guān)系

　　混凝土組成:

　　第一層次: 膠凝材料, 集料( 砂、石) , 水, 化學(xué)外加劑;

　　第二層次:

　　膠凝材料包括水泥+礦物質(zhì)摻和料, 后者包括膨脹劑、速凝劑、磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰等;化學(xué)外加劑包括減水( 高效減水) 劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑、引氣劑、防凍劑等。

　　混凝土性能:

　　力學(xué)性能———如強(qiáng)度、彈性模量等;工作性能———流動(dòng)性( 坍落度及其損失) , 保水性( 常壓及壓力泌水率比) , 含氣量及其損失, 離析現(xiàn)象等;耐久性———如抗凍性、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性、抗化學(xué)侵蝕性、鋼筋銹蝕、AAR反應(yīng)等。

　　混凝土組成與性能的關(guān)系:

　　材料科學(xué)基本觀點(diǎn): 材料組成決定材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)而決定材料的宏觀性能。此觀點(diǎn)適用于混凝土材料。具體體現(xiàn)在以下方面:

　　波羅米公式: 混凝土水膠比決定其強(qiáng)度;基體材料( 膠凝材料水化物) 、增強(qiáng)材料( 集料如砂石) 以及二者的界面結(jié)構(gòu)均是決定最終產(chǎn)物混凝土性能的組成相, 哪一部分成為其中的薄弱環(huán)節(jié), 哪一部分將成為控制混凝土性能的瓶頸;適度的含氣量可使混凝土的抗凍融性成數(shù)倍的增加;

　　砂石集料合理的級(jí)配可以制得具有更優(yōu)異性能的混凝土;控制C3A和R2O的含量可以降低混凝土的水化熱并改善混凝土的工作性;通過(guò)采用優(yōu)質(zhì)水泥、合理的摻合料、適當(dāng)級(jí)配的集料和優(yōu)質(zhì)的化學(xué)外加劑在加上合理的混凝土配合比可以制備出高性能混凝土;化學(xué)外加劑可以減少混凝土的用水量、調(diào)整其凝結(jié)時(shí)間、調(diào)整混凝土含氣量、改善低負(fù)溫硬化性能;礦物質(zhì)摻合料在混凝土中具有形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)等。

2 礦物質(zhì)摻合料在混凝土中的作用

　　化學(xué)外加劑是混凝土的第五組分, 礦物質(zhì)摻合料是第六組分, 二者的聯(lián)合使用推動(dòng)混凝土材料進(jìn)入到高性能混凝土的新階段。

　　礦物質(zhì)摻合料包括: 粉煤灰、磨細(xì)礦渣、膨脹劑、偏高嶺土( 煅燒煤矸石) 、硅灰、沸石粉等, 其作用有相同之處, 更有不同之處, 具體表現(xiàn)在:在顆粒形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)方面表現(xiàn)出較多相似性, 通過(guò)與水泥粒子的顆粒匹配和相互填充減少了孔隙率, 提高了性能; 但幾種摻合料表現(xiàn)也各不相同, 粉煤灰與硅灰是收塵而得, 由于表面張力的作用呈球型顆粒, 流動(dòng)性更好, 而另外幾種摻合料是物理磨細(xì)而成, 呈不規(guī)則形狀, 則流動(dòng)性差一些;在化學(xué)性能方面幾種摻合料則表現(xiàn)出明顯的不同:

　　磨細(xì)礦渣是鈣鋁硅質(zhì)材料, 具有自膠凝性, 加水后本身可以水化形成C- S- H凝膠, 逐漸硬化, 與水泥復(fù)合體系中, 水泥水化釋放出的CH可以激發(fā)磨細(xì)礦渣的活性, 加速其水化硬化;粉煤灰、偏高嶺土( 煅燒煤矸石) 、硅灰、沸石粉等均為鋁硅酸鹽材料, 在化學(xué)上為具有潛在活性材料, 水泥水化產(chǎn)生的CH與這些鋁硅酸鹽材料中的活性硅和活性鋁反應(yīng)可形成二次水化產(chǎn)物CS-H和水化鋁酸鈣凝膠;膨脹劑則是自身或吸收部分水化產(chǎn)物而形成鈣礬石AFt或CH, 產(chǎn)生膨脹特性, 對(duì)水泥混凝土水化過(guò)程中的收縮具有一種減少和補(bǔ)償作用, 另外, 在外部限制情況下, 適度的膨脹能夠改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)和孔級(jí)配, 進(jìn)而改善混凝土的耐久性, 更為重要的是, 限制膨脹過(guò)程中導(dǎo)入混凝土內(nèi)部的預(yù)壓應(yīng)力對(duì)補(bǔ)償后期混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力非常有效。

3 膨脹劑的類(lèi)型及其作用機(jī)理的剖析

　　美國(guó)ACI標(biāo)準(zhǔn)中有三種膨脹水泥, 即K型, M型和S型。K型膨脹水泥由波特蘭水泥與無(wú)水硫鋁酸鈣( 3CaO·3Al2O3·CaSO4簡(jiǎn)寫(xiě)C4A3S) 、石膏(CaSO4)和煅燒石灰組成。M型膨脹水泥由波特蘭水泥與高

鋁水泥和石膏(CaSO4) 以合理的比例混合而成。S型膨脹水泥由普通波特蘭水泥與大量的鋁酸三鈣(C3A) 和石膏混合而成。

　　在美國(guó)膨脹水泥基礎(chǔ)上, 日本、前蘇聯(lián)、中國(guó)等研究成功鈣礬石型, CaO型, MgO型, 復(fù)合型等多種類(lèi)型混凝土膨脹劑, 其中以硫鋁酸鈣最具代表性。圖1表示了與硫鋁酸鈣相聯(lián)系的三元系統(tǒng)膨脹劑的相圖。當(dāng)包含這些礦物的一個(gè)組分水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種水化產(chǎn)物。在這些水化產(chǎn)物中, 下列產(chǎn)物具有膨脹性: 鈣釩石(C3A·3CaSO4·32H2O) , 在T點(diǎn)表示; 單硫型水化硫鋁酸鈣(C3A·CaSO4·12H2O) ,在M點(diǎn)表示; 在CaO處表示的氫氧化鈣[Ca(OH) 2]。

膨脹產(chǎn)物水化時(shí)體積變化的計(jì)算如下:

　　水化前后總體積增加率為100%×( 2175- 234-368- 101- 1728) /( 234+368+101+1728) =- 10.5%

　　水化后固相體積增加率為100%×( 2175- 234-368- 101) /( 234+368+101) =210%

　　水化前后總體積增加率為100%×( 975- 234-92- 101- 648) /(234+92+101+648)=- 9.3%

　　水化后固相體積增加率為100%×(975- 234-92- 101)/(234+92+101)=128.3%

　　水化前后總體積增加率為100%×( 33- 16.7-18) /(16.7+18)=- 4.9%水化后固相體積增加率為100%×(33- 16.7)/16.7=97.6%膨脹劑的水化和膨脹機(jī)理可以分為溶解- 結(jié)晶理論、就地反應(yīng)理論、復(fù)合型( 膨脹發(fā)射- 跳越)理論等。其中溶解- 結(jié)晶理論也稱(chēng)為晶體生長(zhǎng)理論, 即指固相中Ca2+, Al3+, SO42- 等離子或離子基團(tuán)

　　在水溶液的作用下加入液相( 溶解過(guò)程) , 當(dāng)離子液相濃度相對(duì)于水化產(chǎn)物形成過(guò)飽和時(shí), 水化產(chǎn)物從液相析出( 結(jié)晶過(guò)程) , 析出后并且不斷長(zhǎng)大。就地反應(yīng)理論也稱(chēng)吸水腫脹理論, 認(rèn)為固相不溶解加入液相, 而是液相中水分子加入固相與其中物質(zhì)反應(yīng)結(jié)合產(chǎn)生腫脹( 即膨脹) 。在這兩種經(jīng)典理論的基礎(chǔ)上, 新近又出現(xiàn)了復(fù)合型( 膨脹發(fā)射-跳越) 理論。

　　總之膨脹劑是以其在水化硬化過(guò)程中產(chǎn)生膨脹性水化產(chǎn)物而補(bǔ)償水泥水化硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮為其獨(dú)到性和存在基礎(chǔ)的。

4 膨脹劑的不可替代性

4.1 膨脹劑與其它組分所具有的共同性或相似性

　　在抗裂防滲方面:

　　磨細(xì)礦渣、粉煤灰可降低大體積混凝土水化熱, 對(duì)防止混凝土水化溫升開(kāi)裂有效;緩凝高效減水劑可減少混凝土單方水泥用量、降低水化熱, 推遲水化熱溫峰出現(xiàn)時(shí)間并降低溫峰高度, 提高混凝土抗開(kāi)裂性;纖維包括鋼纖維和化學(xué)纖維均可分散應(yīng)力,提高混凝土抗裂性;減縮劑可以減少混凝土的收縮值, 從而提高混凝土的抗開(kāi)裂性;

　　這些混凝土的組分在提高混凝土的抗開(kāi)裂性方面與膨脹劑有一定的相似之處, 但在反應(yīng)機(jī)理及工效方面仍有著本質(zhì)的不同。

4.2 膨脹劑的獨(dú)特性

　　前面已經(jīng)提到膨脹劑的獨(dú)特性在于其在水化硬化過(guò)程中可以產(chǎn)生膨脹性的水化產(chǎn)物, 這些膨脹性水化產(chǎn)物可以有效補(bǔ)償普通水泥混凝土在水化硬化過(guò)程中由于水泥水化而帶來(lái)的體積收縮,從而克服可能由此而引起的收縮開(kāi)裂。一個(gè)典型的應(yīng)用是用于后澆帶。后澆帶是指混凝土在收縮完成以后的一種“二次”澆注混凝土, 通常用膨脹混凝土澆注。由于這種混凝土良好的膨脹特性, 使得與兩側(cè)的“一次”混凝土形成良好的整體結(jié)構(gòu)。顯然這種“二次”混凝土采用所謂粉煤灰、減水劑、纖維等都不能達(dá)到同樣理想的效果。這充分顯示了膨脹劑的獨(dú)特性。分析表明膨脹劑的獨(dú)特性具體反映在原理的獨(dú)特性( 膨脹與補(bǔ)償收縮) 、化學(xué)成分的獨(dú)特性(C4A3S, CaO等) 、水化產(chǎn)物的獨(dú)特性( 生成Aft, CH等) 以及應(yīng)用的獨(dú)特性。膨脹劑性能的獨(dú)特性決定了其應(yīng)用中一定程度的不可替代性。目前膨脹劑以其補(bǔ)償收縮為基本原理在結(jié)構(gòu)自防水、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)與施工、大體積混凝土裂縫控制等方面均得到了成功而廣泛的應(yīng)用。

5 對(duì)膨脹劑市場(chǎng)現(xiàn)狀的評(píng)述與討論

　　膨脹劑的研究與應(yīng)用在我國(guó)經(jīng)歷了基礎(chǔ)理論研究、產(chǎn)品研發(fā)、謹(jǐn)慎推廣、推廣、普遍應(yīng)用、過(guò)度應(yīng)用、問(wèn)題暴露、置疑與反思、整頓與重新認(rèn)識(shí)這樣一系列的過(guò)程, 經(jīng)歷了從無(wú)到有、從小到大、從優(yōu)到濫的過(guò)程, 大眾用戶(hù)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從敬畏到不屑的心路過(guò)程。目前的真實(shí)情況是在一批品質(zhì)優(yōu)良的制造企業(yè)的周?chē)懈嗥焚|(zhì)不良的企業(yè),他們生產(chǎn)的膨脹劑產(chǎn)品膨脹率達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求、堿含量超標(biāo)、摻量大, 卻大量的進(jìn)入市場(chǎng)。就混凝土生產(chǎn)企業(yè)而言, 在正確使用之外, 尚有不少偷工減料、名義上摻加實(shí)際上不摻或少摻的企業(yè)。究其根源一是與市場(chǎng)混亂有關(guān), 二是與一段時(shí)間以來(lái)膨脹劑的過(guò)度推廣有關(guān)。許多生產(chǎn)廠(chǎng)家的銷(xiāo)售人員在院所工程師的支持下為了追求產(chǎn)銷(xiāo)量過(guò)度推銷(xiāo)產(chǎn)品, 使得很多在技術(shù)上本可以不用膨脹劑的場(chǎng)合都使用了膨脹劑, 結(jié)果用戶(hù)發(fā)現(xiàn)用和不用或少用膨脹劑的混凝土均很好, 未出現(xiàn)裂縫。于是錯(cuò)誤地得出結(jié)論: 膨脹劑加和不加一樣,膨脹劑沒(méi)有什么效果。并將這一結(jié)論加以普遍地推廣。進(jìn)一步是在必須摻加膨脹劑的工程或工程的特定結(jié)構(gòu)部位少加甚至不加膨脹劑, 而對(duì)外宣稱(chēng)摻加了膨脹劑, 結(jié)果出現(xiàn)了很多實(shí)質(zhì)性的問(wèn)題。最后不知情者又錯(cuò)誤地將罪過(guò)歸結(jié)于膨脹劑, 對(duì)膨脹劑的有效性提出置疑。于是進(jìn)入了死循環(huán)。其實(shí)早在1998年吳中偉院士即已經(jīng)敏感地認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題, 他在南昌會(huì)議上大聲疾呼: 要重視質(zhì)量、正確應(yīng)用、規(guī)范市場(chǎng)。吳總在學(xué)術(shù)會(huì)議上通常都是講學(xué)術(shù)問(wèn)題的, 但在這次會(huì)議上他老人家確語(yǔ)重心長(zhǎng)地講了很多規(guī)范市場(chǎng)的問(wèn)題。游寶坤、趙順增等專(zhuān)家也在很多場(chǎng)合、多次撰文講膨脹劑的規(guī)范生產(chǎn)和應(yīng)用問(wèn)題。這些對(duì)行業(yè)健康發(fā)展起到了良好作用, 但力度仍然很不夠, 尚需全行業(yè)的整頓與反思。

　　事實(shí)上一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)仍在進(jìn)一步擴(kuò)大和蔓延。如某些知名的結(jié)構(gòu)專(zhuān)家和施工方面的專(zhuān)家提出, 為控制混凝土的結(jié)構(gòu)和變形裂縫, 可以用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物質(zhì)摻和料和緩凝高效減水劑來(lái)代替膨脹劑而實(shí)現(xiàn), 有的提出可以用纖維代替膨脹劑實(shí)現(xiàn)混凝土的防裂抗裂。這些論點(diǎn)出自“名家”之口, 使得原本混亂的膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土的市場(chǎng)更加混亂, 很容易導(dǎo)致出現(xiàn)新的“膨脹無(wú)用論”, 其根源同樣在于認(rèn)識(shí)的片面性。誠(chéng)然在一些場(chǎng)合采用粉煤灰、磨細(xì)礦渣等礦物質(zhì)摻和料和緩凝高效減水劑, 可以減少水泥用量、降低水化熱、推遲水化熱溫峰出現(xiàn)時(shí)間, 降低混凝土溫差開(kāi)裂可能性, 這也正是我們推崇的粉煤灰、減水劑、膨脹劑三摻技術(shù)的基礎(chǔ)。但是前二者卻無(wú)論如何也不具有膨脹和補(bǔ)償收縮的技術(shù)特性。同樣化學(xué)纖維的加入, 可以防止混凝土塑性階段的開(kāi)裂, 但它也不能主動(dòng)地補(bǔ)償混凝土的收縮。就像人體需要不同的微量元素一樣, 混凝土組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) 中是必須的, 是不可替代的。

　　眾所周知, 水泥混凝土是世界上迄今為止最大宗的人造材料, 這種狀況仍然會(huì)持續(xù)到未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間?；炷劣袃蓚€(gè)固有的材料特征, 其一是在水化硬化過(guò)程中強(qiáng)度增長(zhǎng)同時(shí)伴隨著的體積變形———收縮, 其二是混凝土材料低的拉壓強(qiáng)度比。

　　當(dāng)收縮引起的混凝土內(nèi)部的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí), 混凝土即發(fā)生斷裂( 開(kāi)裂) 。通常認(rèn)為裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)最大的缺陷, 它將導(dǎo)致水分、CO2、Cl- 等有害介質(zhì)的侵入, 加速鋼筋銹蝕而降低耐久性, 并造成漏水等使用功能的降低或喪失。

　　為了解決混凝土收縮開(kāi)裂的缺陷, 國(guó)內(nèi)外研究利用膨脹水泥( 劑) 制備膨脹混凝土來(lái)補(bǔ)償普通混凝土地根本缺陷而取得極大成功。英國(guó)皇家工程學(xué)院副院長(zhǎng)、混凝土權(quán)威AdamNeville博士非常贊嘆膨脹混凝土的獨(dú)特性, 他倡導(dǎo)擴(kuò)大膨脹混凝土的應(yīng)用。

　　本文作者對(duì)膨脹劑的觀點(diǎn)是: 應(yīng)該在新的更高的層次上進(jìn)行膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土的科學(xué)普及與宣傳, 讓一些接觸和使用過(guò)膨脹劑的用戶(hù)和一些自以為已經(jīng)是膨脹劑“專(zhuān)家”的人士真正地能夠掌握膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土的真諦, 真正能夠正確地使用。生產(chǎn)廠(chǎng)家以及一些院所工程技術(shù)人員嚴(yán)禁為了眼前和暫時(shí)的利益而進(jìn)行的過(guò)度、片面、錯(cuò)誤的宣傳, 最終葬送行業(yè)的前程。正確的做法是: 在膨脹劑合理合適的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍嚴(yán)格認(rèn)真地用好膨脹劑; 在一些不適宜使用膨脹劑的場(chǎng)合, 堅(jiān)決禁止使用; 在一些可用可不用的場(chǎng)合最好不用。最終還膨脹劑一個(gè)好的名聲, 讓大家知道膨脹混凝土是一類(lèi)具有特殊性能的、在特定相應(yīng)場(chǎng)合使用的優(yōu)質(zhì)混凝土。

　　以上從材料學(xué)角度論述了膨脹劑的不可替代性, 提出了作者對(duì)膨脹劑的觀點(diǎn)。膨脹劑的發(fā)展經(jīng)歷了一系列過(guò)程, 其原理決定了其特性和應(yīng)用。對(duì)于應(yīng)用工程師而言, 學(xué)習(xí)和掌握膨脹混凝土的原理是正確認(rèn)識(shí)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。