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水硫鋁酸鈣( 3CaO·3Al2O3·CaSO4簡(jiǎn)寫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( 溶解過程) , 當(dāng)離子液相濃度相對(duì)于水化產(chǎn)物形成過飽和時(shí), 水化產(chǎn)物從液相析出( 結(jié)晶過程) , 析出后并且不斷長(zhǎng)大。就地反應(yīng)理論也稱吸水腫脹理論, 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程中產(chǎn)生膨脹性水化產(chǎn)物而補(bǔ)償水泥水化硬化過程中產(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裂性;

　　這些混凝土的組分在提高混凝土的抗開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程中由于水泥水化而帶來的體積收縮,從而克服可能由此而引起的收縮開裂。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、過度應(yīng)用、問題暴露、置疑與反思、整頓與重新認(rèn)識(shí)這樣一系列的過程, 經(jīng)歷了從無到有、從小到大、從優(yōu)到濫的過程, 大眾用戶的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從敬畏到不屑的心路過程。目前的真實(shí)情況是在一批品質(zhì)優(yōu)良的制造企業(yè)的周圍有更多品質(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)間以來膨脹劑的過度推廣有關(guān)。許多生產(chǎn)廠家的銷售人員在院所工程師的支持下為了追求產(chǎn)銷量過度推銷產(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)外宣稱摻加了膨脹劑, 結(jié)果出現(xiàn)了很多實(shí)質(zhì)性的問題。最后不知情者又錯(cuò)誤地將罪過歸結(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)問題的, 但在這次會(huì)議上他老人家確語重心長(zhǎng)地講了很多規(guī)范市場(chǎng)的問題。游寶坤、趙順增等專家也在很多場(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)專家和施工方面的專家提出, 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)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí), 混凝土即發(fā)生斷裂( 開裂) 。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膨脹劑的用戶和一些自以為已經(jīng)是膨脹劑“專家”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)。