膨胀剂原理及应用

钢筋混凝土产生裂缝的原因很复杂，就材料而言，混凝土收缩是主要原因。因此，在混凝土中掺入能达到补偿收缩的膨胀剂，是较为理想的方法。膨胀剂加入到普通混凝土中，拌水生成大量膨胀结晶水化物 - 水化硫酸钙 ( 钙矾石 ) 使混凝土产生适度膨胀，在钢筋邻位的约束下在结构中建立 0.2-0.70Mpa的预压应力，这一预压应力可大致抵消混凝土在硬化过程中产生的收缩拉压力，同时 推迟了砼收缩的产生过程。当混凝土收缩开始时，预压应力已可以抵抗砼同期的收缩拉应力，从而 防止或减少砼收缩开裂;而且生成的钙矾石混凝土更加密实，从而大大提高混凝土结构的抗裂防渗 性能。国内外专家一致认为膨胀剂配制补偿收缩混凝土，是代替普通砼解决建筑物裂渗的理想材料。

变形形式膨胀与收缩产生的不同结果

从应变角度考虑，不仅要研究变形收缩与膨胀，还要研究对变形的限制。变形与限制这对主要矛盾贯穿于混凝土补偿收缩的全过程。因在自由与限制条件下，膨胀与收缩将产生背向变形使混凝土质点的间距拉到，而相向变形则使混凝土质点的间距缩小。在实际应用中，混凝土的变形总是受到钢筋、相邻部位、基础或构筑物整体性等条件的限制。同时，混凝土的变形最常见的是收缩变形。为此，限制收缩是混凝土开裂的最常见也是最主要原因。而限制膨胀这类有利的相向变形，恰好用来抵消有害的限制收缩，从而达到避免或大大减少混凝土开裂的目的，这正是微膨胀防水砼能抗裂的理论依据。我公司膨胀剂系列产品配制的补偿收缩混凝土，主要应用在以下方面:

1.实现混凝土结构自防水

普通混凝土由于收缩开裂，形成渗水通道，破坏了混凝土的整体防水功能。因此，防水的前提是抗裂，抗裂比抗渗更重要。加入膨胀剂后，一方面由于产生一定的膨胀，可以有效的防止混凝土开裂，另一方面膨胀结晶体具有填充，阻塞毛细孔缝，改善孔结构和级配的作用，防渗能力得到提高。用膨胀剂配制的补偿收缩混凝土，可以实现混凝土结构自防水，取消外防水，防水费用仅为普通防水措施的1/3。《UEA补偿收缩混凝土防水工法》（YJGF-92）被建设部列为国家级工法，标志我国混凝土结构自防水技术的重大突破。

2.超长混凝土结构无缝施工

考虑混凝土收缩变形，设计规范规定每30~40m须留收缩缝，经过40~60天才能用膨胀混凝土回填，工期处长，而且后浇缝清理十分麻烦，填缝不好还会留下渗漏隐患，中国建筑材料科学研究院发明的《超长钢筋混凝土结构无缝设计与施工方法》（专利号931171326）提出以UEA膨胀加强带取后浇缝，实现凝土连续浇筑超长结构的施工。

研究表明，UEA补偿混凝土在硬化过程产生膨胀作用，在钢筋和邻位作用下，钢筋受控，而混凝土受压，当钢筋拉应力和混凝土压应力平衡时，则有:

则 Ac·sc=As·ss=As·Es·e2

式中:sc 砼压应力、Ac- 砼截面积、ss- 钢筋拉应力、As- 钢筋截面积、Es- 钢筋弹性模量、 m- 配筋率 (%)、e2- 砼的限制膨胀率。( 即钢筋伸长率 )

而 m=As / (Ac+As),As / Ac=m(1-m) 则 sc=Es·e2m / (1-m)

由上式可见，sc 与 e2成正比例关系，而限制混凝土膨胀率 e2随膨胀剂掺量增加而增加，所以， 可以调整膨胀剂掺量，使混凝土获得不同的预压应力。

这一预压应力可补偿砼在硬化过程中产生温差和干缩的拉应力，从而防止收缩裂缝。

混凝土结构在温度变化收缩变形作用下，又受钢筋和邻位约束时，会产生经常引起结构垂直裂 缝的主要应力:水平法向应力 sx，最大值在截面的中点 X = 0，如下图所示：

根据水平法向应力 sx 分布曲线，常规设计是在 smax 处留后浇缝来释放温度收缩应力，现在是 在 smax 处给予较大膨胀应力 sc，而在两侧给予较小的膨胀应力，以便结构的收缩应力得到大小适宜的补偿，从而控制有序裂缝的出现。如下图所示：

该方法的原理是在结构收缩应力最大的地方给予较大的膨胀应力。具体做法(见上图):加强 带一般设在后浇缝处，带宽2m。带的两侧分别架设密孔铁丝网。防止不同配比的砼流入加强带内，施工时，先浇带外小膨胀砼（掺入 10-12% 膨胀剂），浇到加强带时改用大膨胀混凝土(掺入 14- 15% 膨胀剂)，使该处混凝土强度等级比两侧砼高 5Mpa, 再用小膨胀砼浇筑另一侧，如此循环下去。实现无缝连续施工。

3.大体积混凝土温度裂缝控制

大体积混凝土因为水化热高，混凝土内外温差大，采用普通砼，只能采取复杂的费用高的温控 措施使温差控制在25°C以内，否则往往因温差应力而产生开裂，而采取补偿收缩混凝土，温差可放 宽至 30-35°C。其原理如下:

设膨胀混凝土的综合温差 T=T1=T2，T1为普通砼的中心温度与环境平均温度之差，T2为膨胀混凝土当量温差，根据规范要求普通混凝土 T1≤25°C，而 T2=e/a，e为膨胀混凝土的限制膨胀率，a为混凝土膨胀系数=1×10-5，如:e=1×10-4，T2=10°C则即膨胀混凝土温差可控制△T=T1+T2≤35°C。