科学使用膨胀剂需要注意的问题

现在膨胀剂是我国最重要的混凝土外加剂之一，也是争论最大的混凝土外加剂。膨胀剂在工程中的应用效果波动很大，同一个品牌的膨胀剂，在一个工程中应用成功，却可能在下一个工程中失败。膨胀剂在某一地区大规模推广，却在另一地区遭到排斥。虽然发表的论文介绍了大量成功的案例，“不用膨胀剂不裂，用了膨胀剂反而裂”的传闻却不绝于耳。关于大体积补偿收缩混凝土内部是否存在延迟生成钙矾石的争论也受到广泛关注。这些争论说明，我们目前仍然需要深入系统地研究膨胀剂和补偿收缩混凝土的基础理论和应用技术。
1、现代补偿收缩混凝土性能的变化
目前我国补偿收缩混凝土配制与应用的理论基础仍然是吴中伟院士在60年代提出的冷缩与干缩的联合补偿模式。这一理论认为在混凝土中掺加一定量的膨胀剂，使混凝土在湿养护期间的膨胀率达到1.5×10^-4～2.0×10^-4，即可在混凝土结构中产生0.2MPa～0.7MPa的预压应力，补偿温度收缩和干燥收缩，从而避免结构开裂。
这一理论在膨胀剂发展初期的应用是成功的。与现在的混凝土相比，上世纪80年代的混凝土很少使用矿物掺和料，强度等级较低，水化速率较慢，水灰比较高。当时膨胀剂多用于修补, 浆锚接头或节点、接缝的灌浆, 进而发展到地下室或屋面刚性防水面层以及水池、储水罐、喷锚、隧洞衬砌、护坡等, 自应力混凝土用于有压力或无压力管以及压力管接头等, 使用的部位多为较薄断面，内部水化温升较低。在这种环境中，膨胀剂的水化速率与硅酸盐水泥的水化速率比较协调，膨胀剂的水化程度高，混凝土的膨胀与强度同步发展，最终得到致密无裂缝的混凝土结构。
目前膨胀剂的性能、应用对象和使用环境都发生了很大变化。高质量的膨胀剂的主要组成是硫铝酸盐熟料，水化快、膨胀率大；相应地需要更加充分的水分供应，才能保证膨胀剂充分发挥作用。近年来高层、大跨建筑物发展迅速, 期望使用膨胀剂抗裂、防水的工程增多, 因而发展到用于大体积的基础底板、厚度较大的墙以及梁、板、柱等结构混凝土中。这些大体积混凝土的厚度可达数m，体积达数千m³；强度等级常为C40～C50。这些变化必然导致膨胀剂的使用环境变化，从而导致补偿收缩混凝土性能的变化。如果我们不能针对这些变化，采取相应的技术措施，则有可能达不到预期目的，甚至有可能适得其反，给结构安全留下隐患。只有在科学的基础理论指导之下，才能选择适当的技术措施，建造性能优良的工程。
2、大体积高强补偿收缩混凝土内部的膨胀剂效能的发挥程度
按照标准,掺入膨胀剂的混凝土的膨胀、收缩性质是在养护温度为20±2℃，养护湿度大于90％的条件下，利用100mm×100mm断面的试件测定的。混凝土强度提高,胶凝材料用量增大,导致较大体积的混凝土内部温升增高。掺入膨胀剂后,尽管取代了等量的水泥，但由于含铝相组分和石灰(含于复合膨胀剂中)的水化热较大，并不会降低混凝土的温升，反而可能使混凝土温升有所提高。当水灰比为0.45左右、使用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥而又掺入膨胀剂时，混凝土的绝热温升可达55℃。高强混凝土的水胶比低、结构致密，外部水分难于进入。混凝土是热的不良导体，大体积混凝土芯部的热量难于散发。所以大体积混凝土芯部在浇筑后的几天内，处于近似绝热绝湿状态。在这样的环境中，补偿收缩混凝土的水化过程将与标准状态下养护的小试件有很大差别，并影响其性能。
由于自干燥效应的影响，高强混凝土内部的相对湿度可降低到80％左右。此时需水量很大的膨胀剂的水化反应可能受到抑制。在理论上,完全水化的水泥结合水量占水泥质量的0.227,而使水泥完全水化并具有最低毛细孔孔隙率的水灰比为0.438；实际上，即使水胶比为0.5左右，随着水化的不断进行,水化物增多，自由水减少，混凝土中的水泥也不可能完全水化。混凝土中的自由水随水胶比的降低而减少，而水泥水化则随水灰比降低而加快，与水化时需要大量水的膨胀剂争夺自由水。另外膨胀剂中重要组分CaSO₄的溶解度和溶解速率都很低，其溶出量随自由水的减少而减少。因此大体积补偿收缩混凝土芯部的水化程度低于标准试件，其降低程度受混凝土强度等级、配合比、结构形式和施工过程的影响很大，难于预先估计。
补偿收缩混凝土的补偿收缩效能除与膨胀剂的水化程度有关外，约束形式和程度的影响也很大。钢筋和地基等产生的约束可以预先计算，混凝土自身结构产生的约束则是随时间变化的复杂因素。根据王栋民的研究成果，同样的膨胀剂品种和掺量，在高强混凝土中的膨胀效能较低。这可能是由于高强混凝土强度发挥快，很快形成刚性结构，抑制了膨胀剂的膨胀效能发挥。在高强混凝土内部致密结构内，没有足够空间供钙矾石结晶生长，钙矾石以膨胀能力较小的分散微晶状态存在，使结构更加致密。此时膨胀剂更多地发挥增强剂的作用，但补偿收缩的能力下降。
所以，膨胀剂在大体积高强补偿收缩混凝土结构内的膨胀能力将低于标准状态下的测定值，其相差幅度难于估计。如果控制不当,膨胀剂产生的膨胀应力不足以补偿结构内部的收缩应力时,即使使用了膨胀剂，结构也难于避免开裂。这需要引起膨胀剂生产厂家和应用单位的重视。
在高强混凝土中，还需要考虑收缩补偿对象变化的问题。膨胀剂主要补偿温度收缩和干燥收缩。但在大体积高强混凝土结构中，干燥收缩并不是一个严重的问题，而自身收缩却很大，如何补偿在水化早期发生的大幅度收缩是膨胀剂面临的新问题，现在的补偿收缩理论没有考虑这个问题。
3、钙矾石的分解温度与膨胀剂的适用范围
近年来，关于钙矾石的分解温度一直存在争论。国际上比较一致的看法认为钙矾石在温度高于70℃时会发生分解，我们的实验结果与此相同。国内一些人则认为温度高于80℃时钙矾石才会发生分解，还有人认为超过100℃钙矾石才分解。虽然只有10℃之差，但对于膨胀剂的适用范围却有很大影响。对于厚度超过1m的基础底板,当外界温度为20℃左右时,混凝土内部的温度会超过70℃。例如北京航华大厦厚度为2.5～5m的基础底板，使用矿渣硅酸盐水泥,掺用了20％的粉煤灰和EA-2型减水膨胀剂，8月份浇筑，实测混凝土内部最高温度为79℃。《混凝土外加剂应用技术规范》GBJ50119－2002中规定，含硫铝酸钙类、硫铝酸钙－氧化钙类膨胀剂的混凝土不得用于长期环境温度为80℃以上的工程。虽然规范没有定义多长时间算“长期”，但考虑到安全系数，如果没有降温措施，厚度在2m以上的混凝土结构就不应使用膨胀剂，厚度超过1m的基础底板也需要慎重使用膨胀剂。根据我们的研究成果，膨胀剂在30℃～40℃水化时，膨胀能力最大，超过50℃，膨胀能力开始下降，60℃以上膨胀能力就很低了。而大体积混凝土内部温度超过50℃是很普遍的情景。所以对于厚大结构，采用膨胀剂来补偿收缩的作用很小。
4、大体积补偿收缩混凝土结构内部延迟生成钙矾石的可能性
自从我们提出大体积补偿收缩混凝土内部可能发生延迟钙矾石生成（DEF）现象以来，引起了混凝土生产厂商对于正确使用膨胀剂的注意，但持反对意见的人也非常多。反对者指出我国多年来大量使用补偿收缩混凝土，迄今尚未有因DEF而破坏的工程实例，所以认为补偿收缩混凝土内部是不存在DEF的危险。但是没有工程实例并不等于不存在发生的可能性。
自上世纪80年代Ludwig确认在蒸养混凝土制品中存在由于DEF导致的破坏以来，对于DEF的研究一直是许多研究者的重点课题。随着研究的深入，对于DEF的认识也在不断加深。Taylor和Collepardi等将DEF定义为由混凝土内部含有的硫酸盐作用（Internal Sulphate Attack ISA）所导致的后期不均匀膨胀。此时并不区分这些硫酸盐是由已生成的钙矾石受热分解而得，还是混凝土内部根本就未参与反应的硫酸盐。按照整体论的观点，DEF必须同时满足三个条件才能发生：1）内部硫酸盐延迟释放；2）水分渗入；3）微裂缝。如果没有其它原因（如碱－骨料反应）导致的裂缝存在，DEF则难于发生。在英国和法国已发现数个现场浇筑的混凝土结构发生了DEF破坏。这些结构物均没有经过蒸气养护，都是桥墩、挡土墙等暴露于潮湿环境的大体积混凝土结构，所用胶凝材料为高碱普通硅酸盐水泥（SO₃不超过3.5％）。在浇筑以后，结构内部温度超过70℃的时间达数日之久。
我国应用补偿收缩混凝土只有20年历史，多为基础底板等隐蔽结构，底板外面多数还有外包防水层，在外包防水层失效以前，水分不能侵入混凝土，DEF发生的条件不能满足。即使底板有一些裂缝，也难于发现，对于承载力也不会有明显影响。所以迄今没有DEF导致的破坏实例报道，但发生DEF的潜在风险总是存在的。
5、结论
用膨胀剂配制补偿收缩混凝土，以控制结构物的开裂是有效的，但不是万能的。只有在科学理论的指导下，精心组织施工，才能获得良好效果。在厚大、高强混凝土结构内，由于水分供应困难、温度过高，使膨胀剂水化程度降低，膨胀效能减小，甚至使已生成的钙矾石分解，达不到预期目的。膨胀剂在此类结构中使用时必须慎重。

编辑：小薇