229 膨脹劑在微膨脹防水混凝土中的應用如何？

在有約束的防水混凝土工程中，采用膨脹混凝土澆筑可減少收縮裂縫的產生，提高混凝土的密實性，在一定程度上實現混凝土的防水功能。微膨脹防水混凝土就是指采用膨脹水泥或摻加膨脹劑配制的，在凝結硬化過程中產生一定的體積膨脹，補償因干燥失水、溫度變化等原因引起的體積收縮，抑制和減少收縮裂縫的產生，增強混凝土的密實性，從而滿足防水工程需要的一類混凝土。

目前，國內膨脹混凝土的配制主要采用膨脹劑，在地下工程及超長結構的防水施工中應用比較廣泛。我國已研制出多達十幾個品種的膨脹劑，制定了相關標準（GB50119—2003《混凝土外加劑應用技術規范》和JC476—2001《混凝土膨脹劑》），并對膨脹劑的生產、應用進行規范。

一、膨脹劑的類別及化學組成

我國現有十幾個品種的混凝土膨脹劑，按化學組成劃分，主要有以下幾類：硫鋁酸鈣類、氧化鈣類、氧化鎂類等。

（一）硫鋁酸鈣類膨脹劑

硫鋁酸鈣類膨脹劑是以硫鋁酸鹽熟料、硅鋁酸鹽熟料或鋁土熟料與石膏配制磨細而成。硫鋁酸鈣類膨脹劑包括Ｕ-１型膨脹、Ｕ-２型膨脹劑、Ｕ型高效膨脹劑、鋁酸鈣膨脹劑和明礬石膨脹劑等幾個品種，其主要膨脹源為水化硫鋁酸鈣。它們的基本組成、參考摻量、含堿量見表１。表２為摻有硫鋁酸鈣類膨脹劑的水泥的物理性能。

（二）氧化鈣類膨脹劑

氧化鈣類膨脹劑主要包括石灰脂膜膨脹劑和CEA膨脹劑。石灰脂膜膨脹劑是以氧化鈣為膨脹源，由普通石灰和硬脂酸按一定比例混磨而成。硬脂酸一方面在研磨過程中起助磨作用，另一方面又粘附在石灰的表面，對石灰起憎水隔離作用，延緩石灰的水化，以控制其膨脹速率。石灰脂膜膨脹劑保質期短，其膨脹速率受溫度、濕度影響較大，難以控制，很難用于混凝土的補償收縮，主要用于設備基礎灌漿以減少混凝土的收縮。

CEA膨脹劑是以石灰石、鋁土質材料、鐵質原料、明礬石等為原料，經1400～1500℃煅燒、研磨而成，其膨脹源以氧化鈣為主、鈣礬石為次。CEA膨脹劑化學成分和１∶２灰砂比砂漿的限制膨脹率分別見表３、表４。摻10％CEA膨脹劑混凝土試件經水中14ｄ養護后，置于相對濕度50％的25℃空氣中養護，１年后仍有0.011％的膨脹率，空氣中后期收縮較小。

氧化鈣類膨脹劑的后期膨脹可能導致已硬化的混凝土結構開裂、強度降低，工程中已出現此類事例報道。因氧化鈣類膨脹劑的殘余膨脹問題，日本已禁用該類膨脹劑，北京市建委也曾發文要求該類膨脹劑使用前需按產品摻量測定水泥凈漿安定性。GB50119—2003《混凝土外加劑應用技術規范》中規定：氧化鈣類膨脹劑配制的混凝土（砂漿）不得用于海水或有侵蝕性水的工程。

（三）氧化鎂類膨脹劑

氧化鎂類膨脹劑一般是在800～900℃范圍內煅燒菱鎂礦，經磨細而制得。氧化鎂水化生成氫氧化鎂結晶（水鎂石），摩爾體積增加１倍多，可引起混凝土的膨脹。氧化鎂膨脹劑具有延遲膨脹的性能，在常溫下膨脹緩慢。在水工大體積混凝土內溫度較高，加速了氧化鎂的化學反應，其水化3ｄ后就開始膨脹，1年內趨于穩定，而水泥的水化熱主要發生在3ｄ內，其膨脹恰好發生在降溫收縮階段，具有較好的補償收縮作用。在混凝土內摻入水泥質量５％～９％的氧化鎂膨脹劑，可得到性能符合要求的膨脹混凝土。摻氧化鎂膨脹劑混凝土的膨脹率見表５。

二、微膨脹防水混凝土的防水機理

普通混凝土在水化硬化過程中會產生各種原因引起的收縮，如干燥收縮、溫度收縮、化學減縮等。在已凝結的混凝土內，收縮使得混凝土內存在應力，從而引發微裂縫。這不僅使混凝土的整體性遭到破壞，抗滲性、強度等一系列性能下降；而且還會使外界侵蝕介質更容易進入混凝土內部，使得混凝土耐久性不良。微膨脹防水混凝土就是通過混凝土內膨脹源產生的膨脹能，補償、抵消混凝土的收縮，從而達到混凝土密實抗滲的目的。

在水化過程中，摻有膨脹劑的微膨脹防水混凝土的氧化鈣、氧化鎂類膨脹劑自身會發生水化反應，生成膨脹性結晶產物———氫氧化鈣、氫氧化鎂等，而硫鋁酸鈣類膨脹劑則與水泥水化產生的氫氧化鈣發生反應，生成鈣礬石等產物。這些結晶產物的體積較水化前增長１倍左右，構成膨脹源，在混凝土內產生一定的膨脹能，使混凝土產生體積膨脹，補償或抵消混凝土因干燥等原因引起的收縮，減少微裂縫的產生；在約束的條件下，這些膨脹性產物具有填充、堵塞毛細孔的作用，可改善孔結構，使混凝土孔隙率減少，孔隙直徑減小，從而提高混凝土的抗滲性。同時，膨脹性產物還可改善混凝土內的應力狀態，膨脹能轉變為自應力，抵消混凝土因干燥收縮等引起的拉應力，使混凝土處于受壓狀態，可提高混凝土的抗裂性能，改善其滲透性。

三、微膨脹防水混凝土的物理力學性能及耐久性

膨脹是微膨脹防水混凝土最主要的特性，因其膨脹特性，使得微膨脹防水混凝土的物理力學性能及耐久性與普通混凝土有不同程度的差別。

對于存在約束的微膨脹防水混凝土，混凝土內的膨脹性產物具有填充、密實混凝土微結構的作用，混凝土的抗滲性得到提高，同時膨脹源產生的膨脹能還可改善混凝土內的應力狀態，提高混凝土的防裂抗滲能力。適當的限制條件不僅能提高微膨脹防水混凝土的各種程度，而且與強度相關的性能也同樣因限制而得到提高。工程實踐表明，存在適當限制的微膨脹防水混凝土的強度一般都超過20MPa。實際工程中，混凝土材料均存在一定的約束條件，如配筋、限制部位等，因此微膨脹防水混凝土的物理力學性能及耐久性一般都略優于普通混凝土。但自由膨脹的情況，膨脹對混凝土的物理力學性能及耐久性起著不利的作用。在一定摻量范圍內，隨膨脹劑摻量的增

加，混凝土的自由膨脹率隨之增加，混凝土強度和其他一些物理力學性能隨之有一定弱化。當自由膨脹率超過一定值（約0.1％）時，混凝土各種力學性能及耐久會明顯劣化。

因膨脹劑的需水性一般高于普通水泥，且早期水化反應速度較快，微膨脹防水混凝土拌合物的流動性低于相同用水量的普通混凝土，其坍落度損失也大于普通混凝土，這是施工中應予注意的問題。但微膨脹防水混凝土一般具有較好的粘聚性，泌水率較低。

水化硫鋁酸鈣在80℃左右會發生脫水分解，產生體積收縮。因而，凡是摻有以鈣礬石為膨脹源的膨脹劑的微膨脹防水混凝土，在高溫環境中會出現孔隙率增大、強度下降、抗滲性降低的情況。

四、微膨脹防水混凝土的配制技術要點

微膨脹防水混凝土的材料設計和施工應遵循以下技術要點：

（１）配合比設計及原材料選擇。進行配合比設計和原材料選擇時，要符合普通防水混凝土的技術要求，水泥用量不能太低，嚴格控制水灰比，適當提高砂率并采用較小粒徑的集料。

（２）限制自由膨脹。約束是實現微膨脹防水混凝土防水功能的必要條件。在自由膨脹條件下，膨脹對混凝土的各種性能有劣化作用，只有在限制條件下，膨脹才能產生各種所需的功能，起到有利作用。一般限制措施為配制鋼筋、摻加纖維、鄰位限制等。

（３）強化攪拌。對微膨脹防水混凝土應采用機械攪拌，通常攪拌時間不得少于３min，并應比普通混凝土延長30ｓ以上。必須攪拌均勻，以免產生局部過度膨脹。

（４）調控凝結時間。微膨脹防水混凝土施工溫度高于30℃時，或混凝土運輸、停放時間較長，應采取緩凝措施；冬季施工時，最好復合一些早強劑，如三乙醇胺，以避免溫度對混凝土性能的影響。

（５）注意施工、應用環境。微膨脹防水混凝土澆筑溫度不宜大于35℃，施工溫度不低于５℃，低于５℃時應采取保溫措施。以鈣礬石為膨脹源的微膨脹防水混凝土不能用于長期處于80℃以上的工程，否則混凝土會因鈣礬石的脫水分解而導致抗滲性、強度降低。

（６）加強養護。對微膨脹防水混凝土工程應加強養護，一般需要14ｄ的潮濕養護。