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1、第三节第三节 高性能混凝土的体积变形性能高性能混凝土的体积变形性能 1.混凝土的收缩混凝土的收缩 (Shrinkage)l化学收缩化学收缩(Chemical Shrinkage)l塑性收缩塑性收缩(Plastic Shrinkage)l自生收缩自生收缩(Autogenous Shrinkage)l温度收缩温度收缩(Thermal Shrinkage)l干燥收缩干燥收缩(Drying Shrinkage)l碳化收缩碳化收缩(Carbonation Shrinkage)l徐变收缩徐变收缩(Creep Shrinkage)化学化学收缩收缩 (Chemical Shrinkage)化学收缩是指由于水泥
2、水化、浆体中的固体和液体化学收缩是指由于水泥水化、浆体中的固体和液体绝对体积的减少。水化产物的绝对体积要小于水化前水绝对体积的减少。水化产物的绝对体积要小于水化前水泥与水的绝对体积。泥与水的绝对体积。塑性塑性收缩收缩 (Plastic Shrinkage)塑性收缩指新拌混凝土在没有硬化之间发生的体积塑性收缩指新拌混凝土在没有硬化之间发生的体积变化，是由化学收缩、自收缩、表面水分的快速蒸发变化，是由化学收缩、自收缩、表面水分的快速蒸发（大于泌水速度）等共同作用的结果。（大于泌水速度）等共同作用的结果。解决办法：解决办法：l喷雾喷雾l挡风挡风l遮阳遮阳l覆盖覆盖l喷养护剂喷养护剂自自收缩收缩 (A
3、utogenous Shrinkage)混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起引起水泥石内部的自干燥水泥石内部的自干燥(Self-dessication)，使毛细孔内，使毛细孔内水分不饱和而产生压力差而引起的水分不饱和而产生压力差而引起的收缩称自生收缩收缩称自生收缩。温度温度收缩收缩 (Thermal Shrinkage)混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩，混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩，简称冷缩。一般情况下，当混凝土温度降至简称冷缩。一般情况下，当混凝土温度降至0以下时，以下时，混凝土不仅不收缩，反而会因结冰产生的
4、压力而引起膨混凝土不仅不收缩，反而会因结冰产生的压力而引起膨胀变形。胀变形。温度收缩与温度收缩与温差温差成正比。成正比。干燥干燥收缩收缩 (Drying Shrinkage)置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体置于未饱和空气中的混凝土因水分散失而引起的体积缩小变形，称为干燥收缩变形，简称干缩。严格来讲，积缩小变形，称为干燥收缩变形，简称干缩。严格来讲，干燥收缩应为混凝土在干燥条件下实测的变形扣除相同干燥收缩应为混凝土在干燥条件下实测的变形扣除相同温度下密封试件的自生体积变形。温度下密封试件的自生体积变形。碳化碳化收缩收缩 (Carbonation Shrinkage)在一定湿度的空气中
5、在一定湿度的空气中CO2和混凝土表面由于和混凝土表面由于 水泥水化水泥水化生成的水化物发生碳化反应而引起的体积收缩即碳化收生成的水化物发生碳化反应而引起的体积收缩即碳化收缩。缩。Ca(OH)2+CO2-CaCO3+H2O徐变徐变收缩收缩 (Creep Shrinkage)混凝土的徐变是指在持续荷载作用下混凝土混凝土的徐变是指在持续荷载作用下混凝土的应变随时间的增长而逐步增大的行为。在一般的应变随时间的增长而逐步增大的行为。在一般情况下，徐变可以缓解应力集中，减轻或防止裂情况下，徐变可以缓解应力集中，减轻或防止裂纹的发生纹的发生。2.混凝土的膨胀混凝土的膨胀 (Expansion)l化学侵蚀破坏
6、所引起的膨胀化学侵蚀破坏所引起的膨胀l冰冻所引起的膨胀冰冻所引起的膨胀l浸泡所引起的膨胀浸泡所引起的膨胀l温度升高所引起的膨胀温度升高所引起的膨胀l掺膨胀剂所引起的膨胀掺膨胀剂所引起的膨胀微膨胀混凝土微膨胀混凝土(Micro-expansive Concrete)膨胀剂的种类及原理膨胀剂的种类及原理l以钙矾石为膨胀源的膨胀剂以钙矾石为膨胀源的膨胀剂 包括硫铝酸钙类、铝酸钙类、明矾石类等，其膨胀机理均为通过包括硫铝酸钙类、铝酸钙类、明矾石类等，其膨胀机理均为通过化学反应生成化学反应生成AFt而产生体积膨胀。而产生体积膨胀。l以以Ca(OH)2为膨胀源的膨胀剂为膨胀源的膨胀剂 主要成分为主要成分为
7、CaO，依靠它与水反应生成，依靠它与水反应生成Ca(OH)2而产生体积膨胀。而产生体积膨胀。l以以Mg(OH)2为膨胀源的膨胀剂为膨胀源的膨胀剂 主要成分为主要成分为MgO，依靠它与水反应生成，依靠它与水反应生成Mg(OH)2而产生体积膨而产生体积膨胀。胀。微膨胀混凝土微膨胀混凝土(Micro-expansive Concrete)膨胀剂的种类及原理膨胀剂的种类及原理l以以Fe(OH)2、Fe(OH)3为膨胀源的膨胀剂为膨胀源的膨胀剂 主要成分为主要成分为Fe粉和氧化剂，依靠它与水反应生成粉和氧化剂，依靠它与水反应生成Fe(OH)2、Fe(OH)3而形成体积膨胀。而形成体积膨胀。l发气类膨胀剂
8、发气类膨胀剂 主要成分为主要成分为Al粉，也有的用粉，也有的用H2O2作为膨胀源，依靠它与反应生作为膨胀源，依靠它与反应生成气体而产生体积膨胀。成气体而产生体积膨胀。微膨胀混凝土微膨胀混凝土(Micro-expansive Concrete)c.膨胀剂的要求膨胀剂的要求微膨胀混凝土微膨胀混凝土(Micro-expansive Concrete)d.使用膨胀剂的目的使用膨胀剂的目的l补偿收缩补偿收缩l形成自应力形成自应力 按照反应方程式可以计算出各种含铝相原材料中活性Al2O3与石膏完全反应生成钙矾石（AFt）的理论摩尔比：当某二种含铝相原料复合后再加石膏配制成膨胀剂时，其理当某二种含铝相原料复
9、合后再加石膏配制成膨胀剂时，其理论论AlAl2 2O O3 3/SO/SO3 3 可以根据各种组分的百分含量计算而得出。可以根据各种组分的百分含量计算而得出。硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥 Al Al2 2O O3 3:SO:SO3 3=1:0.7=1:0.7 高铝水泥高铝水泥 Al Al2 2O O3 3:SO:SO3 3=1:1=1:1 生（熟）明矾石生（熟）明矾石 Al Al2 2O O3 3:SO:SO3 3=1:1.7=1:1.7膨胀反应膨胀反应膨胀反应膨胀反应AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3/SO/SO/SO/SO3 3 3 3 理论摩尔比理论摩尔比理论摩尔比理
10、论摩尔比AlAlAlAl2 2 2 2O O O O3 3 3 3/SO/SO/SO/SO3 3 3 3 影响膨胀率的规律影响膨胀率的规律影响膨胀率的规律影响膨胀率的规律1 1、当当AlAl2 2O O3 3/SO/SO3 3 高于理论值时高于理论值时（即石膏量不足即石膏量不足），膨胀量低，膨胀），膨胀量低，膨胀稳定期短；稳定期短；2 2、随随AlAl2 2O O3 3/SO/SO3 3 降低降低（即二水石膏的增加即二水石膏的增加），膨胀量增大，早期膨），膨胀量增大，早期膨胀量明显增加，在一定的比例范围内可以获得最佳的膨胀值和膨胀稳胀量明显增加，在一定的比例范围内可以获得最佳的膨胀值和膨胀稳定
11、期；定期；3 3、当掺入的石膏量继续增加时当掺入的石膏量继续增加时，相应的活性，相应的活性AlAl2 2O O3 3量减少，大量的量减少，大量的SOSO3 3剩余下来，在后期剩余下来，在后期AFtAFt还能不断生成，结果可能导致水泥石后期体积还能不断生成，结果可能导致水泥石后期体积的不稳定性。的不稳定性。组成设计组成设计组成设计组成设计 A A A A：对于要求具有较高膨胀能、膨胀稳定期短、早期强度发展快对于要求具有较高膨胀能、膨胀稳定期短、早期强度发展快的高强混凝土，可以选用高活性含铝原材料的高强混凝土，可以选用高活性含铝原材料（CASCAS水泥或高铝水泥）水泥或高铝水泥）和二水石膏在适宜的
12、和二水石膏在适宜的AlAl2 2O O3 3/SO/SO3 3 比条件下配制成膨胀剂。比条件下配制成膨胀剂。B B：对于要求膨胀稳定期较长，并且后期要有一定膨胀量的混凝对于要求膨胀稳定期较长，并且后期要有一定膨胀量的混凝土，应该选用一般活性的含铝相原料土，应该选用一般活性的含铝相原料（天然明矾石，煅烧明矾石等）（天然明矾石，煅烧明矾石等）和二水石膏，并且适当降低和二水石膏，并且适当降低AlAl2 2O O3 3/SO/SO3 3，增加石膏的含量，以保证，增加石膏的含量，以保证混凝土强度和膨胀协调发展。混凝土强度和膨胀协调发展。基准基准1#（含无水硫铝酸钙）（含无水硫铝酸钙）2#BEA3#（含熟
13、明矾）（含熟明矾）（UEA）203水中养护水中养护203、RH=（605）%恒温恒湿养护恒温恒湿养护复合膨胀剂复合膨胀剂复合膨胀剂复合膨胀剂BEABEA的研制的研制的研制的研制1）未掺膨胀剂的基准样，）未掺膨胀剂的基准样，21d已出现较大的收缩；已出现较大的收缩；2）1#早期膨胀能大，但膨胀落差大，在早期膨胀能大，但膨胀落差大，在90d龄期已出现收缩；龄期已出现收缩；3）3#及掺及掺UEA样，早期膨胀能较小，且在样，早期膨胀能较小，且在90d龄期已出现收缩；龄期已出现收缩；4）2#掺掺BEA样，早期膨胀能大，且膨胀落差小，在样，早期膨胀能大，且膨胀落差小，在90d龄期仍有较大的膨胀率，龄期仍有
14、较大的膨胀率，持续稳定膨胀。通过持续稳定膨胀。通过BEA组分的设计，可进行膨胀量的精确控制。组分的设计，可进行膨胀量的精确控制。式中：RO代表CaO、MgO、FeO，R2O代表K2O、Na2O。释水因子制备释水因子制备1 1）控制控制材料组成范围与工艺参数材料组成范围与工艺参数如下：如下：2）确定确定烧成及冷却制度如下烧成及冷却制度如下：在11001300条件下焙 烧1520min；出炉温度控 制在800900，急冷至700，急冷时间为 13min；700400缓慢冷却，缓慢 冷却时间为2030min；400至室温采用急冷，急冷时间为13min；3）产品性能及控制指标产品性能及控制指标产品性能
15、及控制指标产品性能及控制指标：颗粒尺度：2.57.5mm；表面形状：不规则颗粒 形状，粒度系数1.21.4；颗粒筒压强度：6.0MPa以上；颗粒表观密度：14001500kg/m3；吸水率（1h）：8%，可根据工程需要进行选择。释水因子掺量释水因子掺量:设混凝土中砂的用量为设混凝土中砂的用量为S S，释水因子的吸水率为，释水因子的吸水率为X%X%，释水因子，释水因子取代砂的体积率为取代砂的体积率为N%N%；则释水因子的掺加量；则释水因子的掺加量Q Q按下式计算：按下式计算：释水因子应用技术释水因子应用技术释水因子应用技术释水因子应用技术图7 混凝土膨胀性能对比试验Q=S/2650 N%1450（1+X%）释水因子在混凝土中的分布及作用效果释水因子在混凝土中的分布及作用效果 图8中棕红色均匀分布在混凝土中的粒状物为释水因子材料。图9中左下部分为一粒释水因子的微观结构显示，左上部分为水化产物，可以看到这些产物生长在释水因子附近区域，结构致密，应该具有较好的膨胀性能。图10是未掺释水因子膨胀混凝土的微观显示，可以看到存在许多空隙、孔洞，结构松散，不仅膨胀性能难以保证，甚至可能出现收缩。