膨胀剂对混凝土性能影响机理

  材料的性能取决于组成和结构。混凝土中加入膨胀剂后，膨胀剂水化既消耗了水或其它胶凝材料的水化产物，也生成了新物质，同时产生的膨胀应力对混凝土结构也有重要影响。

  孔隙尺寸分布和密实度是影响混凝土力学和耐久性能最重要因素之一，膨胀剂的掺加对二者均造成重大影响。膨胀剂掺量对孔隙率和密实度的影响有一个临界范围，临界掺量范围内，产生的膨胀应力的“挤压作用”提高了水泥石中水化产物的密实程度，改善界面过渡区微结构和降低孔隙率并改善孔径分布，部分水化结晶产物填充孔隙降低了孔隙率，研究也证明了这一点，并认为膨胀剂可与水泥水化产物发生二次反应，生成钙矾石填充混凝土毛细孔；但若掺量过大，会导致过大的膨胀应力破坏水泥石或界面过渡区的微结构甚至产生裂缝，降低密实程度。这两个矛盾的相对大小决定了掺量的临界范围。外部约束条件存在时，既能提高膨胀剂掺量临界范围，又能降低水泥石孔隙率，改善孔隙分布及界面过渡区结构。屠柳青针对约束条件下HCSA膨胀剂掺量为0%，10%的混凝土试样和无约束条件下掺量为10%试样孔结构测试发现：累计孔隙率分别0.1090mg/L，0.0890mg/L和0.1742mg/L，且约束条件下10%掺量试样孔结构中，10～200nm和200～1000nm孔较之无约束条件试样均有明显减少；膨胀剂掺入后，混凝土中1000nm以下小孔数量有所降低。

  膨胀剂水化消耗了水或其它胶凝材料水化产物，对混凝土早期工作性和强度有重大影响；同时，生成物位置、数量、形貌和种类对混凝土内碱度，孔隙率等均有重要影响，进而影响混凝土力学性能和耐久性。按化学成分不同，膨胀剂可分为硫铝酸钙类膨胀剂，氧化钙类膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂和氧化镁类膨胀剂，不同种类膨胀剂水化机理和水化产物不同，进而对补偿收缩混凝土影响不同:硫铝酸钙类膨胀剂是指与水、水泥拌和后经水化生成钙矾石的混凝土膨胀剂，也是我国目前用量最大，使用范围最广的膨胀剂，典型的如UEA、ZY和CSA等系列。硫铝酸钙类膨胀剂主要成分为无水石膏和无水硫铝酸钙，主要水化产物为钙矾石，具有早期水化速率快，水化程度大，需水量多等特点。硫铝酸钙类膨胀剂具有对湿养护要求较高，早期膨胀速率大，膨胀产生量大，随时间延长膨胀速率逐渐降低并逐步稳定的膨胀性能特点。早期对混凝土中水分消耗及大量针棒状钙矾石的生成增大了水泥净浆粘度和屈服值，降低了混凝土工作性，且掺量越大，降低效果越明显。生成钙矾石的反应物中的氢氧化钙来源于水泥水化产物氢氧化钙，故使用硫铝酸钙降低了水泥石中氢氧化钙含量，进而对混凝土中矿物掺合料水化及混凝土抗碳化、抗硫酸盐侵蚀等造成影响。

  氧化钙类膨胀剂是指与水、水泥拌和后经水化产生氢氧化钙的混凝土膨胀剂。氧化钙类膨胀剂是最新一代应用于配制补偿收缩混凝土的膨胀剂，具有膨胀效能高、对工作性和强度影响小、温湿度敏感性低等优异性能，正逐步取代传统硫铝酸盐类膨胀剂。当前关于氧化钙类膨胀剂对混凝土性能影响研究鲜见报导。

  硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂是指与水、水泥拌和经水化产生氢氧化钙和钙矾石的膨胀剂，典型如HCSA膨胀剂和CEA复合膨胀剂。硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂主要矿物成分是无水石膏、生石灰和无水硫铝酸钙，水化产物是氢氧化钙和钙矾石水化反应中无需借助水泥水化产物氢氧化钙即可与无水硫铝酸钙反应生成钙矾石。硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的矿物组成中含30%～40%的轻烧氧化钙，多余的氢氧化钙能使浆体溶液长期保持高碱度，既可避免加入矿物掺合料后降低孔溶液碱度，又有利于提高混凝土抗碳化性能。与硫铝酸钙类膨胀剂相比，硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂早期膨胀速度快，产物生成量多，膨胀量大，水化反应需水量更多，早期对水泥水化有一定促进作用，对混凝土工作性能降低幅度要比硫铝酸钙类膨胀剂大，对混凝土力学性能影响也更大。

  氧化镁类膨胀剂是指与水和水泥拌和后经水化产生Mg(OH)2的膨胀剂。氧化镁类膨胀剂主要成分为MgO及复掺的生石灰，产物主要为Mg(OH)2。与前面三类膨胀剂相比，氧化镁类膨胀剂水化速率低，需水量少，水化速率慢但能持续进行，膨胀性能表现为早期膨胀速率不高，膨胀量不大但膨胀能持续稳定产生多达十几年，总膨胀量较大。Mg(OH)2稳定的化学性质及比氢氧化钙低达200倍的低溶解度决定了氧化镁类膨胀剂对混凝土性能的影响途径更多是通过膨胀引起的结构改变。

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