科學(xué)使用膨脹劑需要注意的問題

現(xiàn)在膨脹劑是我國最重要的混凝土外加劑之一，也是爭論最大的混凝土外加劑。膨脹劑在工程中的應(yīng)用效果波動很大，同一個品牌的膨脹劑，在一個工程中應(yīng)用成功，卻可能在下一個工程中失敗。膨脹劑在某一地區(qū)大規(guī)模推廣，卻在另一地區(qū)遭到排斥。雖然發(fā)表的論文介紹了大量成功的案例，“不用膨脹劑不裂，用了膨脹劑反而裂”的傳聞卻不絕于耳。關(guān)于大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部是否存在延遲生成鈣礬石的爭論也受到廣泛關(guān)注。這些爭論說明，我們目前仍然需要深入系統(tǒng)地研究膨脹劑和補(bǔ)償收縮混凝土的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)。、現(xiàn)代補(bǔ)償收縮混凝土性能的變化

目前我國補(bǔ)償收縮混凝土配制與應(yīng)用的理論基礎(chǔ)仍然是吳中偉院士在60年代提出的冷縮與干縮的聯(lián)合補(bǔ)償模式。這一理論認(rèn)為在混凝土中摻加一定量的膨脹劑，使混凝土在濕養(yǎng)護(hù)期間的膨脹率達(dá)到1.5×10^-4～2.0×10^-4，即可在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生0.2MPa～0.7MPa的預(yù)壓應(yīng)力，補(bǔ)償溫度收縮和干燥收縮，從而避免結(jié)構(gòu)開裂。

這一理論在膨脹劑發(fā)展初期的應(yīng)用是成功的。與現(xiàn)在的混凝土相比，上世紀(jì)80年代的混凝土很少使用礦物摻和料，強(qiáng)度等級較低，水化速率較慢，水灰比較高。當(dāng)時膨脹劑多用于修補(bǔ), 漿錨接頭或節(jié)點、接縫的灌漿, 進(jìn)而發(fā)展到地下室或屋面剛性防水面層以及水池、儲水罐、噴錨、隧洞襯砌、護(hù)坡等, 自應(yīng)力混凝土用于有壓力或無壓力管以及壓力管接頭等, 使用的部位多為較薄斷面，內(nèi)部水化溫升較低。在這種環(huán)境中，膨脹劑的水化速率與硅酸鹽水泥的水化速率比較協(xié)調(diào)，膨脹劑的水化程度高，混凝土的膨脹與強(qiáng)度同步發(fā)展，最終得到致密無裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)。

目前膨脹劑的性能、應(yīng)用對象和使用環(huán)境都發(fā)生了很大變化。高質(zhì)量的膨脹劑的主要組成是硫鋁酸鹽熟料，水化快、膨脹率大；相應(yīng)地需要更加充分的水分供應(yīng)，才能保證膨脹劑充分發(fā)揮作用。近年來高層、大跨建筑物發(fā)展迅速, 期望使用膨脹劑抗裂、防水的工程增多, 因而發(fā)展到用于大體積的基礎(chǔ)底板、厚度較大的墻以及梁、板、柱等結(jié)構(gòu)混凝土中。這些大體積混凝土的厚度可達(dá)數(shù)m，體積達(dá)數(shù)千m；強(qiáng)度等級常為C40～C50。這些變化必然導(dǎo)致膨脹劑的使用環(huán)境變化，從而導(dǎo)致補(bǔ)償收縮混凝土性能的變化。如果我們不能針對這些變化，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，則有可能達(dá)不到預(yù)期目的，甚至有可能適得其反，給結(jié)構(gòu)安全留下隱患。只有在科學(xué)的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)之下，才能選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，建造性能優(yōu)良的工程。、大體積高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部的膨脹劑效能的發(fā)揮程度

按照標(biāo)準(zhǔn),摻入膨脹劑的混凝土的膨脹、收縮性質(zhì)是在養(yǎng)護(hù)溫度為20±2℃，養(yǎng)護(hù)濕度大于90％的條件下，利用100mm×100mm斷面的試件測定的?；炷翉?qiáng)度提高,膠凝材料用量增大,導(dǎo)致較大體積的混凝土內(nèi)部溫升增高。摻入膨脹劑后,盡管取代了等量的水泥，但由于含鋁相組分和石灰(含于復(fù)合膨脹劑中)的水化熱較大，并不會降低混凝土的溫升，反而可能使混凝土溫升有所提高。當(dāng)水灰比為0.45左右、使用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥而又摻入膨脹劑時，混凝土的絕熱溫升可達(dá)55℃。高強(qiáng)混凝土的水膠比低、結(jié)構(gòu)致密，外部水分難于進(jìn)入?；炷潦菬岬牟涣紝?dǎo)體，大體積混凝土芯部的熱量難于散發(fā)。所以大體積混凝土芯部在澆筑后的幾天內(nèi)，處于近似絕熱絕濕狀態(tài)。在這樣的環(huán)境中，補(bǔ)償收縮混凝土的水化過程將與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)的小試件有很大差別，并影響其性能。

由于自干燥效應(yīng)的影響，高強(qiáng)混凝土內(nèi)部的相對濕度可降低到80％左右。此時需水量很大的膨脹劑的水化反應(yīng)可能受到抑制。在理論上,完全水化的水泥結(jié)合水量占水泥質(zhì)量的0.227,而使水泥完全水化并具有最低毛細(xì)孔孔隙率的水灰比為0.438；實際上，即使水膠比為0.5左右，隨著水化的不斷進(jìn)行,水化物增多，自由水減少，混凝土中的水泥也不可能完全水化?；炷林械淖杂伤S水膠比的降低而減少，而水泥水化則隨水灰比降低而加快，與水化時需要大量水的膨脹劑爭奪自由水。另外膨脹劑中重要組分CaSO的溶解度和溶解速率都很低，其溶出量隨自由水的減少而減少。因此大體積補(bǔ)償收縮混凝土芯部的水化程度低于標(biāo)準(zhǔn)試件，其降低程度受混凝土強(qiáng)度等級、配合比、結(jié)構(gòu)形式和施工過程的影響很大，難于預(yù)先估計。

補(bǔ)償收縮混凝土的補(bǔ)償收縮效能除與膨脹劑的水化程度有關(guān)外，約束形式和程度的影響也很大。鋼筋和地基等產(chǎn)生的約束可以預(yù)先計算，混凝土自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的約束則是隨時間變化的復(fù)雜因素。根據(jù)王棟民的研究成果，同樣的膨脹劑品種和摻量，在高強(qiáng)混凝土中的膨脹效能較低。這可能是由于高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度發(fā)揮快，很快形成剛性結(jié)構(gòu)，抑制了膨脹劑的膨脹效能發(fā)揮。在高強(qiáng)混凝土內(nèi)部致密結(jié)構(gòu)內(nèi)，沒有足夠空間供鈣礬石結(jié)晶生長，鈣礬石以膨脹能力較小的分散微晶狀態(tài)存在，使結(jié)構(gòu)更加致密。此時膨脹劑更多地發(fā)揮增強(qiáng)劑的作用，但補(bǔ)償收縮的能力下降。

所以，膨脹劑在大體積高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的膨脹能力將低于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的測定值，其相差幅度難于估計。如果控制不當(dāng),膨脹劑產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力不足以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)內(nèi)部的收縮應(yīng)力時,即使使用了膨脹劑，結(jié)構(gòu)也難于避免開裂。這需要引起膨脹劑生產(chǎn)廠家和應(yīng)用單位的重視。

在高強(qiáng)混凝土中，還需要考慮收縮補(bǔ)償對象變化的問題。膨脹劑主要補(bǔ)償溫度收縮和干燥收縮。但在大體積高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中，干燥收縮并不是一個嚴(yán)重的問題，而自身收縮卻很大，如何補(bǔ)償在水化早期發(fā)生的大幅度收縮是膨脹劑面臨的新問題，現(xiàn)在的補(bǔ)償收縮理論沒有考慮這個問題。、鈣礬石的分解溫度與膨脹劑的適用范圍

近年來，關(guān)于鈣礬石的分解溫度一直存在爭論。國際上比較一致的看法認(rèn)為鈣礬石在溫度高于70℃時會發(fā)生分解，我們的實驗結(jié)果與此相同。國內(nèi)一些人則認(rèn)為溫度高于80℃時鈣礬石才會發(fā)生分解，還有人認(rèn)為超過100℃鈣礬石才分解。雖然只有10℃之差，但對于膨脹劑的適用范圍卻有很大影響。對于厚度超過1m的基礎(chǔ)底板,當(dāng)外界溫度為20℃左右時,混凝土內(nèi)部的溫度會超過70℃。例如北京航華大廈厚度為2.5～5m的基礎(chǔ)底板，使用礦渣硅酸鹽水泥,摻用了20％的粉煤灰和EA-2型減水膨脹劑，8月份澆筑，實測混凝土內(nèi)部最高溫度為79℃?！痘炷镣饧觿?yīng)用技術(shù)規(guī)范》GBJ50119－2002中規(guī)定，含硫鋁酸鈣類、硫鋁酸鈣－氧化鈣類膨脹劑的混凝土不得用于長期環(huán)境溫度為80℃以上的工程。雖然規(guī)范沒有定義多長時間算“長期”，但考慮到安全系數(shù)，如果沒有降溫措施，厚度在2m以上的混凝土結(jié)構(gòu)就不應(yīng)使用膨脹劑，厚度超過1m的基礎(chǔ)底板也需要慎重使用膨脹劑。根據(jù)我們的研究成果，膨脹劑在30℃～40℃水化時，膨脹能力最大，超過50℃，膨脹能力開始下降，60℃以上膨脹能力就很低了。而大體積混凝土內(nèi)部溫度超過50℃是很普遍的情景。所以對于厚大結(jié)構(gòu)，采用膨脹劑來補(bǔ)償收縮的作用很小。、大體積補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部延遲生成鈣礬石的可能性

自從我們提出大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部可能發(fā)生延遲鈣礬石生成（DEF）現(xiàn)象以來，引起了混凝土生產(chǎn)廠商對于正確使用膨脹劑的注意，但持反對意見的人也非常多。反對者指出我國多年來大量使用補(bǔ)償收縮混凝土，迄今尚未有因DEF而破壞的工程實例，所以認(rèn)為補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)部是不存在DEF的危險。但是沒有工程實例并不等于不存在發(fā)生的可能性。

自上世紀(jì)80年代Ludwig確認(rèn)在蒸養(yǎng)混凝土制品中存在由于DEF導(dǎo)致的破壞以來，對于DEF的研究一直是許多研究者的重點課題。隨著研究的深入，對于DEF的認(rèn)識也在不斷加深。Taylor和Collepardi等將DEF定義為由混凝土內(nèi)部含有的硫酸鹽作用（Internal Sulphate Attack ISA）所導(dǎo)致的后期不均勻膨脹。此時并不區(qū)分這些硫酸鹽是由已生成的鈣礬石受熱分解而得，還是混凝土內(nèi)部根本就未參與反應(yīng)的硫酸鹽。按照整體論的觀點，DEF必須同時滿足三個條件才能發(fā)生：1）內(nèi)部硫酸鹽延遲釋放；2）水分滲入；3）微裂縫。如果沒有其它原因（如堿－骨料反應(yīng)）導(dǎo)致的裂縫存在，DEF則難于發(fā)生。在英國和法國已發(fā)現(xiàn)數(shù)個現(xiàn)場澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生了DEF破壞。這些結(jié)構(gòu)物均沒有經(jīng)過蒸氣養(yǎng)護(hù)，都是橋墩、擋土墻等暴露于潮濕環(huán)境的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，所用膠凝材料為高堿普通硅酸鹽水泥（SO不超過3.5％）。在澆筑以后，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度超過70℃的時間達(dá)數(shù)日之久。

我國應(yīng)用補(bǔ)償收縮混凝土只有20年歷史，多為基礎(chǔ)底板等隱蔽結(jié)構(gòu)，底板外面多數(shù)還有外包防水層，在外包防水層失效以前，水分不能侵入混凝土，DEF發(fā)生的條件不能滿足。即使底板有一些裂縫，也難于發(fā)現(xiàn)，對于承載力也不會有明顯影響。所以迄今沒有DEF導(dǎo)致的破壞實例報道，但發(fā)生DEF的潛在風(fēng)險總是存在的。、結(jié)論

用膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土，以控制結(jié)構(gòu)物的開裂是有效的，但不是萬能的。只有在科學(xué)理論的指導(dǎo)下，精心組織施工，才能獲得良好效果。在厚大、高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)，由于水分供應(yīng)困難、溫度過高，使膨脹劑水化程度降低，膨脹效能減小，甚至使已生成的鈣礬石分解，達(dá)不到預(yù)期目的。膨脹劑在此類結(jié)構(gòu)中使用時必須慎重。

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團(tuán)標(biāo)

【會議培訓(xùn)】

2025全國混凝土行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與廢棄物資源再生技術(shù)交流大會

第十屆全國建筑固廢和余泥渣土處理及資源化利用大會暨中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會年會

2025第二十一屆全國商品混凝土可持續(xù)發(fā)展論壇暨2025中國商品混凝土年會

預(yù)拌（商品）混凝土應(yīng)用技術(shù)和工藝技能線上培訓(xùn)

混凝土（砂漿）試驗檢測方法實操教學(xué)線上培訓(xùn)

【咨詢服務(wù)】

科技成果評價

預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯研究

高速公路及橋涵高性能混凝土技術(shù)咨詢

課題研究

研發(fā)中心建設(shè)

產(chǎn)品檢測

綠色建材產(chǎn)品認(rèn)證

[綠滿庭院]《HJ建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)自保溫技術(shù)體系》推廣等

【建材“雙碳”業(yè)務(wù)】

低碳膠凝材料研發(fā)與制備

復(fù)合摻合料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)與制備

建筑垃圾處置與資源化利用

建筑垃圾再生砂粉應(yīng)用技術(shù)

建筑垃圾再生輕粗骨料技術(shù)

碳化再生骨料制備技術(shù)

【期刊著作】

《新技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用》圖書

《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心（以下簡稱“中心”）隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所，主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài)，為全國混凝土行業(yè)開展技術(shù)服務(wù)工作，包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評價和開發(fā)研究等，中心是建材情報所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人，其中博士3人，正高職稱3人，副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機(jī)構(gòu)包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會（擁有200余名行業(yè)一線專家）、北京砼享未來工程技術(shù)研究院（會員制技術(shù)和管理服務(wù)）。

中心每年參與多個混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項目，包括雄安新區(qū)混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù)，以及數(shù)十個混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評價工作。

咨詢電話：孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915

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