由于混凝土原材料品质变化、强度 (特别是早期强度) 提高、大流态混凝土泵送施工和结构形式复杂化, 现代混凝土结构的开裂敏感性明显提高, 控制混凝土结构的非荷载开裂已经成为混凝土制备与施工过程中必须面对的严重问题。

工程界采用了多种手段来降低混凝土的开裂风险, 其中使用混凝土膨胀剂配制补偿收缩混凝土是一种应用较为广泛的方法。目前实际使用的混凝土膨胀剂有3类:主要水化产物为钙矾石的硫铝酸盐型膨胀剂、主要水化产物为氢氧化钙和钙矾石的氧化钙-硫铝酸盐型膨胀剂以及水化产物为氢氧化镁的氧化镁型膨胀剂。3种膨胀剂都有产品标准和应用技术指南, 用以规范产品生产和应用。

我国许多混凝土膨胀剂生产厂家都生产满足GB/T23439—2017《混凝土膨胀剂》中I型产品要求的硫铝酸盐型膨胀剂。由于这些产品可以不使用无水硫铝酸盐熟料, 而用煅烧明矾石等原料配制, 其限制膨胀率较低, 难以满足工程设计指标要求, 是低品质的膨胀剂, 目前实际生产和工程应用已经很少。满足GB/T23439—2017中II型产品要求的氧化钙-硫铝酸盐型膨胀剂必须用高温煅烧后的氧化钙-无水硫铝酸盐熟料配制, 其限制膨胀率高, 是目前应用最为广泛的膨胀剂。但是氧化钙类膨胀剂在较高温度下水化速率快, 难以与混凝土的强度发展和收缩速率匹配, 这是该类膨胀剂应用的短处。氧化镁型膨胀剂主要组分为轻烧氧化镁, 通过烧成制度的调整, 可以生产不同活性的产品, 从而控制膨胀剂的膨胀速率, 满足不同工程的要求。

混凝土膨胀剂最初主要应用于有防水要求的地下混凝土结构和刚性屋面, 用其配制补偿收缩混凝土, 提高混凝土的致密程度, 并减少其收缩裂缝, 提高其自防水能力。混凝土膨胀剂的正确使用需要考虑多种影响因素。

混凝土膨胀剂通过水化反应生成具有膨胀性的水化产物, 使硬化混凝土产生适量体积膨胀, 补偿胶凝材料水化过程中产生的化学收缩、温度收缩以及长期使用过程中产生的干燥收缩。理论研究认为, 混凝土凝结硬化以后, 由于受到混凝土自身与钢筋的约束, 膨胀剂水化产生的体积膨胀转化为0.2~0.7MPa的预压应力, 补偿混凝土体积收缩产生的收缩应力^[1]。因此, 膨胀剂的水化反应速率与混凝土的强度增长速率必须协调。如果混凝土凝结时间长、强度发展慢, 而膨胀剂水化速率较快, 则膨胀剂水化产生的膨胀能在塑性或低强度的混凝土中耗散, 不能被有效储存, 转化为预压应力。如果混凝土强度增长快, 则膨胀能的发挥被抑制, 也不能产生需要的预压应力。这两种情况都不能达到补偿混凝土收缩、从而抑制混凝土结构开裂的目的。胶凝材料的水化反应速率与混凝土的强度发展速率都与混凝土入模温度与结构内部温度变化历程密切相关, 而膨胀剂的水化产物稳定性和膨胀能力也同样受到混凝土结构内部温峰的高低和持续时间的影响^[2,3]。

硫铝酸盐型膨胀剂的主要水化产物是含有32分子结晶水的钙矾石, 其形成过程需要吸收大量的水分, 因此对于新拌混凝土的工作性能有不利影响。混凝土在使用过程中如果长期处于干燥环境中, 钙矾石可能部分脱水, 降低其膨胀性能, 对补偿混凝土收缩变形的能力有不利影响。钙矾石长期处于80℃以上环境中会分解, 生成单硫型水化硫铝酸钙, 损失膨胀性能。所以用硫铝酸盐型膨胀剂配制的补偿收缩混凝土结构内部的最高温度应控制在70℃以下。实际上结构内部温度达到60℃左右, 硫铝酸盐型膨胀剂的膨胀能力已有明显下降^[3]。

氧化钙-硫铝酸盐型膨胀剂熟料的主要矿相为氧化钙、无水石膏和无水硫铝酸钙。无水硫铝酸钙的熔点低于氧化钙, 在煅烧过程中部分熔融, 覆盖在氧化钙晶粒表面, 减缓氧化钙的水化速率^[4]。如果表面没有包覆层, 煅烧温度<1 300℃的氧化钙具有很高的水化活性, 通常在与水接触后6h内完全水化, 而此时普通混凝土的强度还很小或可以忽略, 氧化钙水化产生的膨胀能不能被有效储存^[5], 因此产生的体积膨胀对抑制混凝土开裂的效果十分有限。

实验室一般以胶砂试件的限制膨胀率评价膨胀剂产品的基本性能。在恒温恒湿养护条件下, 膨胀剂水化程度较高, 产生的膨胀量大, 所测得的限制膨胀率令人满意。但是在实体结构中, 由于温湿条件的变化, 膨胀剂的补偿收缩作用有所降低。因此对于水化产物和膨胀能力与环境温湿度条件密切相关的含有硫铝酸盐矿物的膨胀剂来说, 产品检测结果与在结构中的实际表现存在明显差异。

氧化镁型膨胀剂的膨胀性能也与环境温度密切相关。环境温度越高, 氧化镁反应越快, 但其水化产物氢氧化镁在混凝土内部所能达到的温度范围内非常稳定。氧化镁型膨胀剂具有不同活性的产品, 可以根据环境温度选择合适的产品类型和掺量, 使膨胀速率与混凝土强度发展速率相匹配, 从而有效补偿混凝土的收缩变形, 降低开裂风险。氧化镁型膨胀剂的反应速率可以调整, 根据氧化镁膨胀剂的使用环境 (混凝土结构内部温度与湿度条件) , 氧化镁膨胀剂的膨胀时间可以在28d~1年内调整。鉴于建筑行业对于氧化镁膨胀剂的稳定性存在顾虑, 氧化镁膨胀剂的掺量可取低限。如果混凝土结构内部温峰值不高 (≤40℃) , 使用氧化镁型膨胀剂配制的补偿收缩混凝土的早期限制膨胀率将会较低, 此时可使用氧化钙-氧化镁复合型膨胀剂, 提高补偿收缩混凝土的早期抗开裂能力^[6]。

JGJ/T178—2009《补偿收缩混凝土应用技术规程》对于补偿收缩混凝土配合比设计的规定很简略, 除一般性规定外, 仅规定了混凝土膨胀剂掺量的大致范围。由于混凝土膨胀剂的作用效果影响因素众多, 这样宽泛的规定对指导施工作用不大, 需要混凝土生产商根据试配结果 (强度与限制膨胀率) 确定配合比。但是由于工期限制, 混凝土生产商通常没有足够的时间进行混凝土的试配, 也没有技术力量和测试设备进行混凝土限制膨胀率的测定。由此补偿收缩混凝土的配合比常常由膨胀剂生产厂商推荐决定, 实际的补偿收缩性能如何, 无论是混凝土生产商或是施工方都不知道。由于前期混凝土配合比试验工作不足, 导致实际工程应用的补偿收缩混凝土的效果参差不齐。由此导致对于混凝土膨胀剂的评价毁誉参半。

补偿收缩混凝土配合比设计的关键参数之一是混凝土的限制膨胀率。《补偿收缩混凝土应用技术规程》的“设计原则”一章中给出了混凝土限制膨胀率的建议值。根据该规程的“基本规定”, 补偿收缩混凝土的限制膨胀率是用在标准条件下养护混凝土试件测定的。这明显与实体结构中的环境与约束条件不同。目前尚无标准条件养护的混凝土试件与实体结构中的混凝土体积变化差异的研究成果发表。用一个笼统的膨胀剂掺量应对不同膨胀剂品种、不同强度等级与结构形式千变万化的工程项目, 确实不能准确地预测所配制的补偿收缩混凝土的抗开裂能力。单纯调整膨胀剂掺量, 并不能保证不同类型膨胀剂所配制的补偿收缩混凝土均能在实际工程结构中获得理想的补偿收缩效果, 而结构设计工程师在设计图纸上千篇一律地写上补偿收缩混凝土的限制膨胀率>0.02%, 是不求甚解的。这既没有考虑结构形式、混凝土强度等级和内部温升等因素的影响, 也没有涉及实验室测量结果与实体结构表现的差异, 甚至连“限制膨胀率>0.02%”的真实含义都没有搞清楚。业主、监理、施工和混凝土供应商都不知道在实体结构中, 这个指标是否达到。

一些结构设计师想当然地认为, 补偿收缩混凝土的限制膨胀率越大, 抵抗收缩的能力越强, 结构就越不会开裂。因此在设计图纸上标明, 板梁结构的限制膨胀率>0.025%、墙体结构的限制膨胀率>0.030%、后浇带和膨胀加强带的限制膨胀率>0.035%。为了达到这样高的限制膨胀率, 只能增加膨胀剂的掺量。但是这增加了混凝土长龄期过分膨胀的风险, 对结构安全性不利;同时使新拌混凝土的工作性变差, 施工困难。所以过分高的限制膨胀率对混凝土结构的安全性、耐久性、施工质量和成本都有负面影响。实际上在合理的膨胀剂掺量范围内, 标准条件养护的补偿收缩混凝土的限制膨胀率只能达到0.015%~0.025%。结构设计工程师在确定补偿收缩混凝土的性能时, 需要对拟用混凝土膨胀剂的性能有所了解。

综上所述, 施工过程的各参与方都不了解结构设计图纸上标示的补偿收缩混凝土的主要技术指标之一———限制膨胀率的真实含义, 因此对于如何控制补偿收缩混凝土的质量没有正确的认识。为了达到控制结构开裂的目的, 除了强度之外, 限制膨胀率是补偿收缩混凝土最重要的性能指标。而这个重要的性能指标, 无论在混凝土配合比设计阶段或是在施工质量评价阶段, 大都没有测定, 补偿收缩混凝土的质量实际处于失控状态。由于各个质量控制环节都不测量混凝土的限制膨胀率, 客观上给假冒伪劣的混凝土膨胀剂进入工程打开了方便之门。膨胀剂一旦拌入混凝土中, 便无法检测掺量和品质。混凝土到场验收环节通常只测定拌合物的工作性。混凝土一旦浇筑进结构, 即使后期出现开裂漏水等问题, 也不能追究混凝土生产商的责任。混凝土质量控制的放任自流客观上助长了膨胀剂市场的混乱程度。在混凝土到场检验环节增加补偿收缩混凝土的限制膨胀率抽检是很有必要的。

补偿收缩混凝土需要根据其强度等级、应用的结构形式和施工环境条件, 结合混凝土结构内的温度历程 (施工前初步推断) 和施工条件科学地选择膨胀剂的品种和掺量;各种膨胀剂都有其适宜的使用环境和使用条件;混凝土配合比设计需要综合考虑设计规定的混凝土结构限制膨胀率和施工条件。质检部门也应测定现场取样的混凝土试件的限制膨胀率, 评定混凝土的合格性。结构设计时应给出合理的混凝土限制膨胀率并说明相应的施工保障条件。