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膨胀剂和补偿收缩混凝土常见知识问答中国建筑材料科学研究院赵顺增 [编者按]近几年来在__混凝土膨胀剂和补偿收缩混凝土应用技术的过程中,设计、施工人员非常关心膨胀剂和补偿收缩混凝土的使用情况,一些问题是共性的,现将这些问题汇集解答,希望能够对工程技术人员有所帮助 1什么是膨胀剂?混凝土膨胀剂是指在混凝土拌制过程中与水泥、水拌和后经水化反应生成钙矾石或氢氧化钙,使混凝土产生体积膨胀的外加剂 2什么是补偿收缩混凝土?补偿收缩混凝土是一种膨胀混凝土,它是由水泥水化产生体积膨胀,通过膨胀能对限制力作功,产生的限制膨胀抵消混凝土干燥、降温以及荷载等作用引起的限制收缩,一般在所使用的配筋条件下能使混凝土内部建立
0.2~
0.7Mpa的压应力,主要是对干燥收缩进行补偿 3如何获得补偿收缩混凝土?可以用膨胀水泥或硅酸盐类水泥掺膨胀剂与粗细骨料、掺合料、化学外加剂、水共同搅拌,配制不同膨胀能的补偿收缩混凝土 4混凝土膨胀剂的主要用途是什么?混凝土膨胀剂用来配制膨胀混凝土(包括补偿收缩混凝土和自应力混凝土),补偿收缩混凝土具有补偿混凝土干缩和密实混凝土、提高混凝土抗渗性作用,在土木工程中主要用于防水和抗裂两个方面,现在使用较多的场合是配制高等级防水混凝土和适当延长伸缩缝或后浇带间距下表是膨胀混凝土的部分应用范围分类范围建筑物屋面、楼板、地下室、核电站的放射性掩蔽体桥道桥梁面板、公路和机场跑道的铺面隧道衬砌、反拱、反向衬砌施工时的侧墙、喷射混凝土或砂浆大坝坝块接缝灌浆水池水池、贮罐、地下水池、预应力混凝土水池喷射混凝土公路、铁路、大坝等开挖护坡地基硬土地基摩擦桩制品钢管和铸铁管的内衬、压力管、排水管、组合钢管及桩等5补偿收缩混凝土不适合在什么条件下使用?水化产物是水化硫铝酸钙的补偿收缩混凝土不能__在80℃环境下使用,水化产物是氢氧化钙的补偿收缩混凝土不适合用于海水或有侵蚀性水的工程 6膨胀剂的品种及差别?国家行业标准规定膨胀剂分硫铝酸钙类、硫铝酸钙--氧化钙类与氧化钙类三种硫铝酸钙类膨胀剂是目前的主流产品,国内外绝大多数膨胀混凝土都采用水化硫铝酸钙(即钙矾石)为膨胀源另有一部分氧化钙类膨胀剂,硫铝酸钙--氧化钙类膨胀剂市场上很少见硫铝酸钙和氧化钙膨胀剂各有特点,硫铝酸钙类膨胀剂具有膨胀缓和,可控制性好,使用安全,存放期长的特点,因而应用比较广泛但该类膨胀剂配制的混凝土不适合用于__环境温度为80℃以上的工程氧化钙类膨胀剂具有膨胀能高,膨胀爆发力强、早期膨胀大的特点,但如果煅烧控制不好,容易引发后期膨胀,该类膨胀剂存放期短,控制比较困难,用氧化钙类膨胀剂配制的混凝土不适合用于海水或有侵蚀性水的工程市场上销售的UEA、__A、HEA、FS、AEA、UEA-×及__A-×等膨胀剂中,追述起源,UEA、AEA、FS及UEA-×属硫铝酸钙类,__A、HEA和__A-×则属氧化钙类;其中,UEA-×、FS、HEA、__A-×是由膨胀剂和其它化学外加剂复合而成的一类复合膨胀剂复合膨胀剂适合在现场搅拌的混凝土中使用,便于施工管理在商品混凝土搅拌站,使用膨胀剂即可,其它外加剂可由实验室根据本站具体情况选配膨胀剂只要性能符合标准要求,均可配制出性能优越的补偿收缩混凝土其自身技术没有多大差别,质量的差异由生产企业的生产管理水平决定,应用技术取决于产品的稳定性及应用历史长短,更多的取决于混凝土工程师对该产品的熟悉程度和试配技术 7工程中如何控制补偿收缩混凝土的质量?首先,在施工前必须进行限制膨胀率ε2试验,根据工程特点,选择合理的ε2是决定补偿收缩混凝土性能的技术关键其次,在施工中,除按混凝土施工规范施工外,湿养护7~14天非常必要最后,对施工完的工程进行后期防护亦非常重要上述三部分只是一个粗略的框架,详述参阅G__119《混凝土膨胀剂应用技术规范》、《膨胀混凝土施工指南》和《使用补偿收缩混凝土点滴经验》 8膨胀剂是否可以100%取代水泥?这是一个有趣而矛盾的问题,从补偿收缩混凝土配合比来讲,不存在膨胀剂取代水泥的问题,完全取决于实验工程师具备的补偿收缩混凝土经验和对原材料的熟悉程度,根据技术指标,通过试配确定配合比但是大多数人则希望在普通混凝土配合比基础上,按对水泥的掺量比例,简单进行取代,以求满足抗压强度,而不进行限制膨胀率试验按照简单的取代方法,由于掺加膨胀剂后,无约束的抗压试体自由膨胀,理想的膨胀混凝土,抗压强度将比不掺膨胀剂混凝土降低10%左右,简单地讲,膨胀剂不能100%取代水泥解决强度降低的经验方法对不掺减水剂的混凝土,适当提高水泥用量降低水胶比;掺减水剂的混凝土,提高一点减水剂掺量,降低水胶比即可 9膨胀剂的掺量如何确定?膨胀剂掺量的确定与一般化学外加剂掺量的确定方法一样,必须通过试验的方法确定,确定混凝土膨胀剂掺量的正确方法是按照G__50119《混凝土膨胀剂应用技术规范》中的试验方法,使用实际工程原材料,进行限制膨胀率试验,以达到工程设计的限制膨胀率和强度指标时的膨胀剂掺量为准特别需要指出的是,一些地区根据某一品种膨胀剂碱含量为由,人为限定膨胀剂在混凝土中的掺量不得大于8%,这个规定很不科学首先,现在的膨胀剂标准规定膨胀剂的碱含量不得大于
0.75%,市场上销售的产品大多在
0.3~
0.6%,比一般的水泥还要低,膨胀剂以内掺法掺加,只能降低混凝土的总碱含量其次,膨胀剂作为混凝土的一个组成材料,与水泥和其它矿物外加剂(粉煤灰、硅灰、磨细矿渣粉等)一样,其掺量应该根据设计要求的限制膨胀率或自应力值,通过试配确定,不能人为限定上限,否则像自应力混凝土、需要较大膨胀量的一些工程部位将会因膨胀不足而发生工程质量事故另外,百分比掺量本身也有很大的局限性,强度等级C20的混凝土和强度等级C60的混凝土由于胶凝材料用量悬殊,以8%掺量为例,C20中膨胀剂用量不足20kg/m3,而C60中膨胀剂将达到40~50kg/m3,会出现C20混凝土膨胀量不足而C60混凝土膨胀量过大的情况 10补偿收缩混凝土能否补偿冷缩?由于补偿收缩混凝土的膨胀能较小,在混凝土中产生的自应力值很小,因此目前国内外研究的补偿收缩混凝土,主要是补偿混凝土的干缩,对混凝土冷缩的补偿非常有限 11使用补偿收缩混凝土能否做到无缝施工?工程设计师和施工者希望把混凝土连续不断地一直浇筑下去,无接缝注满图纸上标注的所有混凝土,他们认为这样无接缝的混凝土整体性好,而且缩短了建设周期,并希望从混凝土研究者那里得到不裂缝的保证一些膨胀剂生产商为了推销产品,不切实际地夸大膨胀剂在混凝土结构中的作用,诱导设计人员,并提出一些书面的计算说明应该指出,所有这些计算分析都是基于把混凝土视为弹性均质体时所进行的,而实际上混凝土是一种固、液、气三相并存,各向异性的非均质复合材料,这些性质决定了它是一种裂缝发生机率很高的脆性材料仅在施工过程中混凝土中的内应力变化就非常复杂因此,到目前为止,补偿收缩混凝土用于超长结构的设计和施工技术还没有形成完善的理论计算体系,是一门实验科学,不是计算科学,所以超长结构的设计和施工应该根据工程的具体情况确定伸缩缝、后浇带间距,特别要考虑结构受限制的程度,限制程度高,伸缩缝、后浇带间距要短,反之,则可长些应用情况表明,补偿收缩混凝土在地下工程中应用比较成功,在结构受限制程度低,完工后能及时回填,温差较小的工程中,通过采取一些工艺措施,可以做到不设永久伸缩缝,后浇带间距以60m左右为宜鉴于补偿收缩混凝土对冷缩的补偿非常有限,在北方寒冷地区,由于地表温差很大,地下一层外墙和顶板是否留伸缩缝要慎重确定,地上工程延长伸缩缝间距,应采用补偿收缩混凝土与预应力相结合的方法实践证明,后浇带可以有效地释放收缩应力,在混凝土结构应力集中的部位设置后浇带,如连接两块大体积混凝土之间较薄的板或梁上设后浇带,可以避免这些部位出现裂缝,科学合理地运用补偿收缩混凝土和后浇带技术,对混凝土中的收缩应力采取“抗放结合”的防治措施,可以有效地避免或减少超长的大型钢筋混凝土结构产生裂缝 12补偿收缩混凝土超长结构施工的原理是什么?延长伸缩间距,取消后浇带是UEA补偿收缩混凝土对结构设计、施工的另一贡献由于UEA混凝土具有补偿收缩的作用,其原理如下从应力角度看,由于UEA补偿收缩混凝土在养护期间产生
0.2–
0.7Mpa的自应力值,可大致抵抗由于干缩、冷缩等引起的拉应力,并由于在膨胀过程中推迟了混凝土收缩发生的时间,混凝土抗拉强度得以进一步增长,当混凝土开始收缩时,其抗拉强度已可以或基本可以抵抗收缩应力,从而使混凝土不裂,达到延长伸缩间距,连续施工的目的从变形角度讲,结构中混凝土主要变形有冷缩(St)、干缩(Sd)和受拉徐变(CT),采用UEA混凝土后,引入限制膨胀变形(e2),这些变形中St、Sd是有害变形,它们是抵抗导致混凝土开裂的原因,而CT和e2是有益变形,它们是抵抗混凝土开裂的因素当e2-(St+Sd-CT)£Sk,(Sk是混凝土的极限延伸率)时,混凝土不开裂,也就不必设伸缩缝或后浇带若采用普通混凝土,则总收缩为CT-Ss-Sd,这个量比较大,规范要求约30m设伸缩缝或后浇带 13关于后浇带间距及其计算问题使用补偿收缩混凝土可以适当延长伸缩缝或后交带间距,这在前面已经作过分析,并为众多工程实践所证实工程实践证明,使用补偿收缩混凝土(含膨胀水泥及各种类型混凝土膨胀剂配制的补偿收缩混凝土)后浇带间距可以放宽至60m左右,个别工程如北京科伦大厦达到90m,都取得了良好的使用效果但是一般认为
60、70m更加安全膨胀混凝土设计施工方面的规范有美国混凝土协会223委员会编制的《使用补偿收缩混凝土的标准做法》,__土木学会的《膨胀混凝土设计施工指针》,我国的G__50119《混凝土膨胀剂应用技术规范》,这些规范都没有提供相关的计算方法就连GB50010-2002《混凝土结构设计规范》中对普通混凝土伸缩缝间距的确定也是依据工程实践经验所定到目前为止补偿收缩混凝土用于超长结构的设计和施工技术还没有形成完善的理论计算体系,就连发展了100多年的混凝土科学还是一门实验科学,不是计算科学,所以混凝土超长结构的设计和施工应该根据工程的具体情况确定伸缩缝、后浇带间距,特别要考虑结构受限制的程度,限制程度高,伸缩缝、后浇带间距要短,反之,则可长些,科学合理地运用补偿收缩混凝土和后浇带技术,对混凝土中的收缩应力采取“抗放结合”的防治措施,可以有效地避免或减少超长的大型钢筋混凝土结构产生裂缝有些人采用式
(1)进行伸缩缝或后浇带间距计算,将补偿收缩混凝土的限制膨胀率ε2换算成当量温差,往往得出该式无数学解,物理概念上可将伸缩缝或后浇带延长至无限长的结论
(1)我对这种计算是不赞成的,我最早看到这个计算公式是在王铁梦《建筑物的裂缝控制》一书,这个公式的边界条件设定、参数取值等都有待商榷,特别是能否适用混凝土这种固、液、气三相并存,各向异性的非均质复合材料还是一个疑问比较科学的方法是参照现成的规范和既有工程实践经验,一般部位的补偿收缩UEA掺量约8%,单方用量约35~40kg,混凝土限制膨胀率约
0.02~
0.025%;后浇带混凝土,UEA掺量约10%单方用量约40~45kg,混凝土限制膨胀率约
0.025~
0.03%更详细的资料(施工规范、相关标准、工程实例等)请登录___.pzhhnt.com“膨胀混凝土研究中心”查阅http://___.pzhhnt.com“膨胀混凝土研究中心”查阅/。