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膨胀剂的应用环境改变了

发布日期:2017-10-16 作者:膨胀剂,福州膨胀剂,福建膨胀剂 点击:

(1)膨胀剂:构件尺寸变厚,水化温度升高

膨胀剂使用之初,主要用于刚性自防水的薄壁构件,近年来随着建筑结构大型化、巨型化和复杂化的设计趋势,膨胀剂主要用于大体积基础底板和超长结构无缝施工等领域,构件尺寸由薄变厚,外部水分难于进入,潮湿养护不能发挥作用,混凝土内部形成了一个近似绝热绝湿的环境,膨胀剂的水化环境发生了很大变化。

同时,随着混凝土构造物的高度和体量不断增加,混凝土的设计强度也随之增加,混凝土中胶凝材料用量经常达到400kg/m3以上,水化放热量大;混凝土的集中浇注使其内部水化放热时间相对集中,热量在短时间内不易散发,内部温峰很高。综合大量的工程实测结果可知,当混凝土底板厚度不足1m时,混凝土内部温峰不会超过60℃;当底板厚度大于1.5~2m后,混凝土内部温度将在浇注后的2~3d内达到70~80℃以上,并维持较长时间,例如上海金茂大厦的4m厚的大体积混凝土底板内部温度在浇筑后52h达到97.5℃,北京住总大厦1.8m厚的C40大体积混凝土底板在浇注后两天内部最高温度达82℃。高温必然会使化学反应速率加快,其对于膨胀剂膨胀效能发挥的影响程度和影响规律应得到重视。大体积混凝土内部温升大,又无法得到及时的水分补充,膨胀剂的水化环境发生了很大变化,可能因为缺水而无法充分水化,失去补偿收缩作用。

另一方面,我国普遍使用的硫铝酸盐型膨胀剂的膨胀源为钙矾石,它在温度高于70℃时不稳定,会发生分解,导致膨胀倒缩、甚至失去补偿收缩作用。钙矾石分解产物为AFm,Al3+和SO42-被C-S-H凝胶吸附,当混凝土冷却后长时间处于常温潮湿环境中时,混凝土内部的AFm、C-S-H凝胶和孔溶液中的离子和水会发生反应,再次生成钙矾石,发生“延迟钙矾石生成”现象,这种在水化后期产生的延迟膨胀可能对混凝土的微观结构产生破坏作用;在低水胶比的大体积混凝土中,只需少量钙矾石在致密的硬化浆体中生成,即可造成很大的应力集中,引起开裂。目前混凝土中的钙矾石在内部高温环境中会不会发生分解还存在质疑,延迟钙矾石生成这种潜在因素能否引起大体积混凝土的膨胀破坏也存在很大争议。

(2)膨胀剂:大掺量矿物掺合料使胶凝材料组成更加复杂

自从高性能混凝土的概念提出以来,为了满足所需的施工性能、力学性能、耐久性、经济性以及环保节能等的要求,矿物掺合料大量掺入到混凝土中。目前大掺量矿物掺合料在混凝土中得到日益广泛的应用。根据《混凝土结构耐久性设计与施工指南》,处于干湿交替和室内干燥的Ⅰ类环境中的混凝土,在采用普通硅酸盐水泥时,其单掺粉煤灰的量最多可以达到30%,单掺磨细矿渣最多可以达到40%,考虑到普通硅酸盐水泥中作为混合材所含的20%的掺合料,部分混凝土搅拌站违规过量掺加,使得混凝土中的实际矿物掺合料总量甚至可达60%以上。大量矿物掺合料的加入使得胶凝材料组成更加复杂,通过之前的分析lBank交易所知道,同种膨胀剂相同掺量在不同的胶凝材料体系中膨胀性能可能产生巨大差异。所以针对复杂的应用环境,采用膨胀剂掺量作为唯一指标指导千变万化的膨胀砂浆和膨胀混凝土工程是不合适的,系统地研究胶凝材料组成对于膨胀剂有效膨胀能发挥的影响,尤其是高温环境中胶凝材料组成对膨胀剂产生的作用,为工程实践提供理论指导以确保实际工程中膨胀剂效能能够充分发挥更加必要和迫切。

膨胀剂

最初对粉煤灰的研究开始于20世纪30年代后期,到20世纪70年代,不再把粉煤灰当做是波特兰水泥的替代物而是作为单独的一个组分——第四组组分进行配合比设计,加拿大矿产与能源中心(CANMET)于1985年开始对大掺量粉煤灰混凝土(HVFC)进行了全面系统的研究,于1987年成功开发出粉煤灰掺量大于50%、水胶比0.32的高塑性HVFC,并应用于多项实际工程,目前普遍认为大掺量粉煤灰混凝土的最低掺量为40%~50%。

粉煤灰是一种硅铝质火山灰材料,通常通过“填充效应”、“形态效应”和“微集料效应”发挥物理作用,同时具有火山灰性,在水化后期混凝土内部的碱性环境中,能够与水泥中硅酸盐矿物水化生成的Ca(OH)2发生二次火山灰反应,生成低钙硅比的C-S-H凝胶等水化产物,为强度做出贡献;反应消耗Ca(OH)2,提高界面过渡区的密实程度,改善混凝土的微观结构。未反应的粉煤灰则沉积在浆体与骨料间的过渡区,发挥“填充效应”增加密实度和结合强度。另外,掺入粉煤灰也有助于改善混凝土的工作性,降低用水量,进一步提高混凝土的抗渗性和耐久性。

另外,因为粉煤灰没有胶凝性,其反应活性相对微弱,增大粉煤灰掺量可以降低单位体积混凝土的水泥用量,从而显著降低大体积混凝土的内部温升,所以采用粉煤灰和膨胀剂配制大体积混凝土成为从材料角度降低其温度收缩,提高抗裂能力的主要技术手段。

粉煤灰的掺入会降低早期强度,但早期强度的下降对于水泥-膨胀剂-粉煤灰三元复合胶凝材料补偿收缩混凝土不一定是有害的,早期强度的适当降低可以延长有效膨胀的作用时间,有益于膨胀的发挥,甚至可以通过粉煤灰掺量调节早期强度,让其适应膨胀发展。同时,硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂中含有的活性氧化钙水化后生成大量氢氧化钙,能迅速为粉煤灰的火山灰反应供钙,在水化初始阶段就能激发其反应活性,大量饱和析出的氢氧化钙还可以作为体系的碱储备,长时间维持浆体的高碱度。因此两者的复掺可以相互促进,共同补偿大体积混凝土的温度收缩,产生超叠作用。

关于粉煤灰对膨胀剂膨胀效能的影响,目前有一些相关报道。Ramlochan等认为,掺加粉煤灰、矿渣等矿物掺合料能有效减少或避免高温养护条件或高温高湿环境下由于延迟钙矾石生成而导致的混凝土开裂。王栋民认为,水泥-膨胀剂-细掺料组成的复合胶凝材料的水化反应和水化过程是分阶段分层次进行的,但各组分在各自进行水化反应的同时又相互作用,最终形成一个致密的硬化水泥浆体。王栋民还认为采用水泥-膨胀剂-粉煤灰三元复合胶凝材料可以制备出具有良好体积稳定性的高性能膨胀混凝土,且存在最优掺量组合。

综上所述,国内外学者针对硫铝酸钙类膨胀剂在混凝土中的膨胀效能发挥及其稳定性进行了一些有益的研究,然而针对硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂所做工作仍较为有限,还有待研究的问题有:胶凝材料组成、养护温度、约束条件等多因素耦合作用下膨胀剂对膨胀砂浆和膨胀混凝土的补偿收缩效果以及膨胀与强度的匹配性的影响,等强度混凝土中多因素耦合作用对膨胀剂膨胀效能的影响以及膨胀剂在低水胶比补偿收缩混凝土中的有效性。


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关键词:膨胀剂,福州膨胀剂,福建膨胀剂

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