《建筑材料》课程教学资源（文献资料）防水材料——砂浆、混凝土膨胀剂

新型防水材料——砂浆、混凝土膨胀剂彭红涛一、引言在农业、工业与民用建筑的混凝土工程中，尤其是屋盖、地下建筑、水坝、码头、桥墩等构筑物，对混凝土结构的抗裂抗渗要求较高，现有防水材料已不能满足工程要求的问题日趋严重。已建成的工程、渗漏率一般在40~60%，国家每年的防水维修费达10亿多元，所以，建筑结构防水问题仍将是工程界要解决的一大难题分析砂浆、混凝士结构出现渗漏原因，除了砂浆、混凝士不致密，有贯通孔隙外，最易产生的致命的破坏是由于干缩和冷缩引起砂浆和混凝土结构开裂。因此，砂浆、混凝土结构抗渗的前提条件应是抗裂。而膨胀剂是解决砂浆、混凝土开裂的一种较有效，较经济的方法。其作用是通过调整配合比，抑制孔隙率，改善孔结构，增加各原材料界面的密实性，并通过补偿收缩，提高砂浆和混凝土的抗裂防渗能力，达到防水的目的。、新型防水材料砂浆、混凝土膨胀剂研究的科学依据-般来说普通混凝土的抗拉强度低，极限拉伸很小，只有0.015~0.02%，混凝土的收缩值达0.04~0.06%收缩超过极限拉伸就会开裂。对于大体积混凝土（最小尺寸大于4m）还存在温差收缩问题，会产生温差裂缝。当裂缝宽度超过0.01mm时，砂将、混凝土结构便可发生渗漏。而以内掺法加8~12%膨胀剂配制的砂浆或混凝士产生的限制膨胀率大约为0.02~0.04%，在钢筋混凝土中可建立0.2~0.7兆帕的预压应力，从而抵消混凝土硬化过程中产生的收缩拉应力，使结构不产生裂缝，或把裂缝控制在无害裂缝宽度范围内（0.01mm）保证结构不渗漏，并可使伸缩缝间距延长到60~100m而不裂不渗。三、国内外的膨胀剂发展情况自1936年，法国亨利.洛西叶（H.Lossier）发明膨胀水泥时起，人类使用膨胀砂浆和混凝土的历史至今已有59年。在1965年以前，人们配制膨胀砂浆和混凝土所用的是膨胀水泥；1965~1972年，日本引进美国K型水泥技术，但改为CSA（无水铝酸钙）膨胀剂，并率先在使用部门拌制时掺入，以制作补偿收缩混凝土与自应力混凝土。稍后日本又试制成功石灰型（Ca0）膨胀剂。到1976年这两种膨胀剂年产共约5万吨，约可折算为40~50万吨膨胀水泥。继日本之后，美国、（原）苏联等国家相继开展了膨胀剂的研制工作。我国从五十年代起，研究和生产了各种类型的膨胀水泥，70年代，我国出现了混凝土膨胀剂。1974年，中国建材院研制成功类似日本CSA的硫铝酸钙膨胀剂，在80年代研制成功U型膨胀剂（UEA）、复合膨胀剂和铝酸钙膨胀剂。安徽省建科所研制成功明矾石膨胀剂。在我国逐渐形成发展膨胀剂来代替膨胀水泥的趋势四、发展膨胀剂的经济和社会效益分析由于砂浆、混凝土膨胀剂具有能够根据工程需要来选定合理的掺加量，也就是可以根据使用条件调节膨胀剂掺量来满足不同程度的补偿收缩或自应力的要求，并具有施工方便，解决膨胀水泥的仓贮困难，降低包装运输的费用，防潮性较好，细度要求不必与水泥细度一致，提高粉磨效率（尤其是氧化钙或其它易磨性优于水泥熟料的膨胀剂）等许多优越性，在工程实践中显示出越来越好的社会和经济效益，使用量逐年增加，现分析如1、经济性分析膨胀剂所用原料在我国都有较丰富的蕴藏量，成本较低，生产出的膨胀剂市场销售价一般在500元／吨左右按每立方米混凝土350Kg水泥计算，掺加12%的膨胀剂需费用16.8元（未减去所替代相应数量的水泥费用），即单位立方米混凝土相应增加的费用不超过6.8元，按结构厚度0.3m计算，则折合每平方米增加的费用不超过5.04元。而采用其它防水材料，如两毡三油每平方米费用12.8元，三元乙丙每平方米需33元，603防水涂料每平方米需28元，若考虑找平层、保护层等各项费用，增加金额将更高。应指出：膨胀剂是按与普通混凝土施工相适应的规范程序进行施工的，是永久性的防水措施，而且具有施工工艺简化、省工、省料、可缩短工期等优点，经济效益显著

新型防水材料——砂浆、混凝土膨胀剂 彭红涛 一、引言 在农业、工业与民用建筑的混凝土工程中，尤其是屋盖、地下建筑、水坝、码头、桥墩等构筑物，对混凝 土结构的抗裂抗渗要求较高，现有防水材料已不能满足工程要求的问题日趋严重。已建成的工程、渗漏率一般 在40~60%，国家每年的防水维修费达１０亿多元，所以，建筑结构防水问题仍将是工程界要解决的一大难题。 分析砂浆、混凝土结构出现渗漏原因，除了砂浆、混凝土不致密，有贯通孔隙外，最易产生的致命的破坏 是由于干缩和冷缩引起砂浆和混凝土结构开裂。因此，砂浆、混凝土结构抗渗的前提条件应是抗裂。而膨胀剂 是解决砂浆、混凝土开裂的一种较有效，较经济的方法。其作用是通过调整配合比，抑制孔隙率，改善孔结构， 增加各原材料界面的密实性，并通过补偿收缩，提高砂浆和混凝土的抗裂防渗能力，达到防水的目的。 二、新型防水材料砂浆、混凝土膨胀剂研究的科学依据 一般来说普通混凝土的抗拉强度低， 极限拉伸很小，只有0.015~0.02%，而混凝土的收缩值达0.04~0.06%， 收缩超过极限拉伸就会开裂。对于大体积混凝土（最小尺寸大于 4m）还存在温差收缩问题，会产生温差裂缝。 当 裂缝宽度超过0.01mm 时，砂将、混凝土结构便可发生渗漏。而以内掺法加8~12%膨胀剂配制的砂浆或混凝土 产生的限制膨胀率大约为 0.02~0.04 %，在钢筋混凝土中可建立0.2~0.7兆帕的预压应力，从而抵消混凝土硬化 过程中产生的收缩拉应力，使 结构不产生裂缝，或把裂缝控制在无害裂缝宽度范围内 （0.01mm）保证结构不 渗漏，并可使伸缩缝间距延长到60~100m而不裂不渗。 三、国内外的膨胀剂发展情况 自1936年，法国亨利．洛西叶（H.Lossier）发明膨胀水泥时起，人类使用膨胀砂浆和混凝土的历史至今已 有59年。在1965年以前，人们配制膨胀砂浆和混凝土所用的是膨胀水泥；1965~1972年，日本引进美国Ｋ型水泥 技术，但改为CSA（无水硫铝酸钙）膨胀剂，并率先在使用部门拌制时掺入，以制作补偿收缩混凝土与自应力混 凝土。 稍后日本又试制成功石灰型（CaO）膨胀剂。到1976年这两种膨胀剂年产共约5万吨，约可折算为40~50 万吨膨胀水泥。继日本之后，美国、（原）苏联等国家相继开展了膨胀剂的研制工作。我国从五十年代起，研 究和生产了各种类型的膨胀水泥，70年代，我国出现了混凝土膨胀剂。1974年，中国建材院研制成功类似日本 CSA 的硫铝酸钙膨胀剂， 在80年代研制成功Ｕ型膨胀剂（UEA） 、复合膨胀剂和铝酸钙膨胀剂。安徽省建科所研制 成功明矾石膨胀剂。在我国逐渐形成发展膨胀剂来代替膨胀水泥的趋势。 四、发展膨胀剂的经济和社会效益分析 由于砂浆、混凝土膨胀剂具有能够根据工程需要来选定合理的掺加量，也就是可以根据使用条件调节膨胀 剂掺量来满足不同程度的补偿收缩或自应力的要求，并具有施工方便，解决膨胀水泥的仓贮困难，降低包装运 输的费用，防潮性较好，细度要求不必与水泥细度一致，提高粉磨效率（尤其是氧化钙或其它易磨性优于水泥 熟料的膨胀剂）等许多优越性，在工程实践中显示出越来越好的社会和经济效益，使用量逐年增加，现分析如 下： １、 经济性分析 膨胀剂所用原料在我国都有较丰富的蕴藏量，成本较低，生产出的膨胀剂市场销售价一般在500元／吨左右， 按每立方米混凝土350Kg水泥计算，掺加12%的膨胀剂需费用16.8元（未减去所替代相应数量的水泥费用），即 单位立方米混凝土相应增加的费用不超过6. 8元，按结构厚度0.3m计算，则折合每平方米增加的费用不超过5.04 元。而采用其它防水材料，如两毡三油每平方米费用12.8元，三元乙丙每平方米需33元，６０３防水涂料每平 方米需28元，若考虑找平层、保护层等各项费用，增加金额将更高。 应指出：膨胀剂是按与普通混凝土施工相适应的规范程序进行施工的，是永久性的防水措施，而且具有施 工工艺简化、省工、省料、可缩短工期等优点，经济效益显著

2、社会效益分析通过大量科学研究和实际应用，人们已认识到膨胀剂在促进建筑物的结构自身永久性防水机能的发展方面所起的重要作用，它克服了建筑物由于采用了有机防水材料而面临的使用寿命短以及在施工过程中可产生有害污染气体的危险，从而使施工人员的劳动条件得到改善，具有显著的社会效益。五、现有膨胀剂的特性及存在问题将膨胀剂按膨胀组分或膨胀产物分类，与其各自的特性及主要用途列于表1中，表1 各类膨胀剂的主要水化特性及用途膨胀刻主要水化特糕主要用递主要商品名精能盐类1021屋碱防水和地下防水工程凯姆康管（日本）(CSA)+3CaO.A1,O,-3CaSO32H,0预制构件电化CSA（日本）砂接建、补篮、修补0型检影胀剂（中国）和机器底脚螺丝明矾石膨胀剂浆等（中国）CuO+HOCaOH酷颜石灰能乐剂（中国）防水砼工程氧化钙类水化速度较快，比CSA燕米石庆膨胀剂（中国）M(CaO)膨账剂的膨肤建率快拖修工程欢克期（日本）低溢施工工程CaO-HO-Ca(On地下防水工程，曾浓泡，A复合账剂（中国）6CaO+A.O+SO,+3H.0坝体防净层，遗土后复合型3CaO.AI,O,-3CASO,.32H.O诺缝和子应力工程。(CaO-CSA)遇水后Sh即出现C(OD7d时Cao已消耗尽，面钙乱石通过液相形成，并吸收 C(OI)促进硅酸钙水化MO+HOMaOH一般应用（轻烧）纸化镁烧规品度不问，授应商压釜蒸养（重烧）氧化镁炎速度有显装不间，轻烧（1000C(Mgo)以下）的可在正常温度下水化，重烧（1500C左右）的在高温水Fa+HO-FeO,-H适用于高温环境，如筑天由于铁粉氧化反应很慢流热车间的底脚缘持续时间长，需拾加氧化剂崧补地坪基康和填壁呼，(FeO)（过格酸盐，高端酸益等A+HOAIOD+H浆用或加气混凝主用铝粉系形设器A其氟铝酸钙头过氧化器目前各国使用的膨胀剂主要是硫铝酸盐类、氧化钙类及复合类膨胀剂，其它各类膨胀剂的应用尚少，还有待进一步研究。下面分别对前三类膨胀剂的特点和存在问题进行分析：。硫铝酸盐类膨胀剂

２、社会效益分析 通过大量科学研究和实际应用，人们已认识到膨胀剂在促进建筑物的结构自身永久性防水机能的发展方面 所起的重要作用，它克服了建筑物由于采用了有机防水材料而面临的使用寿命短以及在施工过程中可产生有害 污染气体的危险，从而使施工人员的劳动条件得到改善，具有显著的社会效益。 五、现有膨胀剂的特性及存在问题 将膨胀剂按膨胀组分或膨胀产物分类，与其各自的特性及主要用途列于表１中。 表１ 各类膨胀剂的主要水化特性及用途 目前各国使用的膨胀剂主要是硫铝酸盐类、氧化钙类及复合类膨胀剂，其它各类膨胀剂的应用尚少，还有 待进一步研究。下面分别对前三类膨胀剂的特点和存在问题进行分析： １．硫铝酸盐类膨胀剂

在中、日、美和（原）苏联等国都有应用，生产工艺日趋成熟，是现在使用量最大的一类膨胀剂。根据国内外有关资料报导，这类膨胀剂（天然明矾石类膨胀剂除外）大都具有膨胀发展速度快，产生的膨胀效能高，膨胀稳定性好等特点。存在的主要问题是需水量大，掺膨胀剂的混凝土的落度损失比普通混凝土稍快，由于其膨胀源是钙矾石，钙矾石有32个水分子，其中2个水分子与钙矾石晶体的联系较弱，易脱去，故离水后，混凝土收缩较明显；另外还需烧，生产工艺复杂，投资较大。而我国生产的天然明矾石膨胀剂主要成分为天然明矾石，适量石膏及少量添加剂，其特点是生产工艺简单，水化速度慢，与强度发展协调，长期性能好。存在的问题是要获得足够的膨胀剂需加入的掺入量大，使早期强度降低很多，属低效膨胀剂；环境温度、湿度对其性能影响也较大，低湿使用时，其性能受到影响：而且以明矾石为主要原料，它含钾、钠较多，在有活性硅和水的情况下，可能出现碱集料反应的不利影响。W.2Fig.1Crystaofettringite.(A)Partofasinglecolumnin(1120)projection;A=Algroup, W= O of an HO molecule. Hydrogen atoms are omitted, as are the Ho1=Caarmolecules attached to those calcium atoms lying in the central vertical lille of the figure.2.石灰膨胀剂是用石灰质原料，粘土质原料和石膏按一定比例配制、殿烧、粉磨而成。如日本昭53——31170专利揭示膨胀水泥熟料组成物的制法：硅率1.0~4.0，铁率0.5~4.0，熟料中净Ca0为30~80%，结晶粒径超过15μ，在焕烧前加入10~20%石膏。存在的主要技术问题是烧成工艺复杂，用此种膨胀剂制成的混凝土和砂浆，密实度较差抗渗性能和后期强度不佳。3.复合膨胀剂如我国生产的EA复合膨胀剂是由一定比例的钙质膨胀熟料、天然明石和石膏共同磨细而成。钙质膨胀熟料是以石灰质原料、粘土和铁粉配成生料，在物料温度为1300~1350℃缎烧而成。其特点是膨胀发展较快、稳定期短、强度发展稳定。存在的问题是膨胀发展较快，早期强度低，不宜远途运输和长期保存，生产工艺复杂、投资大。六、展望用于改善提高普通混凝土（砂浆）抗裂抗渗性能的膨胀剂，自本世纪60年代中期，日本率先开发研究和应用以来，目前已在美国、中国、（原）苏联等许多国家得到了应用，具有比较广阔的发展前景，但其产量增长

在中、日、美和（原）苏联等国都有应用，生产工艺日趋成熟，是现在使用量最大的一类膨胀剂。根据国 内外有关资料报导，这类膨胀剂（天然明矾石类膨胀剂除外） 大都具有膨胀发展速度快， 产生的膨胀效能高， 膨胀稳定性好等特点。存在的主要问题是需水量大，掺膨胀剂的混凝土的坍落度损失比普通混凝土稍快， 由于 其膨胀源是钙矾石，钙矾石有32个水分子，其中2个水分子与钙矾石晶体的联系较弱，易脱去，故离水后，混凝 土收缩较明显；另外还需煅烧，生产工艺复杂，投资较大。而我国生产的天然明矾石膨胀剂主要成分为天然明 矾石，适量石膏及少量添加剂， 其特点是生产工艺简单， 水化速度慢，与强度发展协调，长期性能好。存在 的问题是要获得足够的膨胀剂需加入的掺入量大，使早期强度降低很多，属低效膨胀剂；环境温度、湿度对其 性能影响也较大，低湿使用时，其性能受到影响；而且以明矾石为主要原料，它含钾、钠较多，在有活性硅和 水的情况下，可能出现碱集料反应的不利影响。 Fig.1 Crystal structure of ettringite. (A) Part of a single column in (1120) projection; A = Al, C = Ca, H = O of an OH group, W = O of an H20 molecule. Hydrogen atoms are omitted, as are the H20 molecules attached to those calcium atoms lying in the central vertical lille of the figure. ２．石灰膨胀剂 是用石灰质原料，粘土质原料和石膏按一定比例配制、煅烧、粉磨而成。如日本昭 53——31170 专利揭示 膨胀水泥熟料组成物的制法：硅率 1.0~4.0，铁率0.5~4.0，熟料中净CaO为30~80%，结晶粒径超过15μ，在煅 烧前加入10~20%石膏。存在的主要技术问题是烧成工艺复杂，用此种膨胀剂制成的混凝土和砂浆，密实度较差， 抗渗性能和后期强度不佳。 ３．复合膨胀剂 如我国生产的ＥＡ复合膨胀剂是由一定比例的钙质膨胀熟料、天然明矾石和石膏共同磨细而成。钙质膨胀 熟料是以石灰质原料、粘土和铁粉配成生料，在物料温度为1300~1350℃煅烧而成。 其特点是膨胀发展较快、 稳定期短、强度发展稳定。 存在的问题是膨胀发展较快， 早期强度低，不宜远途运输和长期保存，生产工艺 复杂、投资大。 六、展望 用于改善提高普通混凝土（砂浆）抗裂抗渗性能的膨胀剂，自本世纪60年代中期，日本率先开发研究和应 用以来，目前已在美国、中国、（原）苏联等许多国家得到了应用，具有比较广阔的发展前景，但其产量增长

并不十分迅速，主要生产国日本、中国、美国的膨胀水泥包括由膨胀剂折算的在内产量只及该国水泥总产量的0.2~0.6%。影响现有膨胀剂推广的主要社会原因大致如下：：人类使用膨胀剂的时间只有二、三十年，人们对其性能认识的广度、深度及信任程度等都不如普通混凝土（砂浆）。2：采用膨胀剂配制的混凝土（砂浆）的造价常高于普通混凝土（砂浆）。3．虽然《混凝土膨胀剂标准JC476-92》和《混凝土外加剂应用技术规范GBJ119-88》的制订和发布实施已对膨胀剂的推广起到了积极的促进作用，但仍不能满足膨胀剂的科研、生产和应用的迅速发展。例如目前还有的膨胀剂配制的混凝土在不同应用条件下的耐久性（包括耐火性）的测定方法，钢筋补偿收缩和自应力混凝土规范等，这将给设计和施工部门带来诸多不便。，为了使膨胀剂这一新技术得到更广泛推广和应用，一方面应对该技术及相应标准做好宣传和贯彻工天此作，多树立样板工程，以事实说明膨胀剂的特殊性能，并在实践中不断使规范标准趋于完善；另一方面，充分利用地方资源，开发生产价格低、性能优异的新型膨胀剂，使膨胀混凝土（砂浆）的造价比普通混凝土（砂浆）这样使膨胀剂成为价廉、优质、安全的新型建材开从我国近年来膨胀剂的发展情况看，膨胀剂正朝着以膨胀为主兼具多种功能的方向发展。例如，有的膨服剂已具有减水功能，可减少混凝土中有害孔隙，同时使混凝土更均匀、密实；具有早强、缓凝、抗冻等性能的膨胀剂的相继出现，无疑使膨胀剂更易于推广应用。为了进一步扩大膨胀剂的功能，可从以下两方面进行研究。方面，为达到抗裂防渗的目的，可使膨胀剂中含有形成胶体或其它阻塞、填充毛细孔的组分，在水泥混凝土硬化后，留在细孔中，切断毛细孔道路，使水难以进入，达到防水的目的；使膨胀剂含活性憎水组分，加入混凝土后能在毛细管壁上形成增水层，使毛细管吸附作用减弱，从而降低了混凝土的吸水性。这种憎水作用对于防止水蒸汽和无压力水进入混凝土是有效的，而对防止压力水的渗透效果不明显。这些组分所产生的综合作用能使膨胀抗剂具有很好的防水效果，同时又不影响混凝土的其它性能。总之，笔者笔者认为新型混凝膨胀剂应向多功能方向发展，不仅能产生微膨胀，而且可以减水、引气，阻塞毛细孔，使毛细孔壁僧水，这样使膨胀剂达到最佳抗裂防渗效果。第二，为了达到扩大工程使用范围，研究膨胀剂对不同品种水的适应性，并可根据需要研制出具有早强、高强、促凝、缓凝、低水化热、抗冻等系列微膨胀砂浆、混凝土防水新产品参考文献（）吴中伟张鸿直，《膨胀混凝十》，中国铁道出版社，1990年（2）彭红涛译，《膨胀外加剂在建筑灰浆中的应用》，载华北水利水电学院北京研究生部《科技信息》1994年，第1期。(3) F.M,Lea, The Chemistry of Cement and Concrete, Third Edition 1970

并不十分迅速，主要生产国日本、中国、美国的膨胀水泥包括由膨胀剂折算的在内产量只及该国水泥总产量的 0.2~0.6%。影响现有膨胀剂推广的主要社会原因大致如下： １．人类使用膨胀剂的时间只有二、三十年，人们对其性能认识的广度、深度及信任程度等都不如普通混 凝土（砂浆）。 ２．采用膨胀剂配制的混凝土（砂浆）的造价常高于普通混凝土（砂浆）。 ３．虽然《混凝土膨胀剂标准JC476-92》和《混凝土外加剂应用技术规范GBJ119-88》 的制订和发布实施 已对膨胀剂的推广起到了积极的促进作用，但仍不能满足膨胀剂的科研、生产和应用的迅速发展。例如目前还 有的膨胀剂配制的混凝土在不同应用条件下的耐久性（包括耐火性）的测定方法，钢筋补偿收缩和自应力混凝 土规范等，这将给设计和施工部门带来诸多不便。 因此，为了使膨胀剂这一新技术得到更广泛推广和应用，一方面应对该技术及相应标准做好宣传和贯彻工 作，多树立样板工程，以事实说明膨胀剂的特殊性能，并在实践中不断使规范标准趋于完善；另一方面，充分 利用地方资源，开发生产价格低、性能优异的新型膨胀剂，使膨胀混凝土（砂浆）的造价比普通混凝土（砂浆） 低。这样使膨胀剂成为价廉、优质、安全的新型建材。 从我国近年来膨胀剂的发展情况看，膨胀剂正朝着以膨胀为主兼具多种功能的方向发展。例如，有的膨胀 剂已具有减水功能，可减少混凝土中有害孔隙，同时使混凝土更均匀、密实；具有早强、缓凝、抗冻等性能的 膨胀剂的相继出现，无疑使膨胀剂更易于推广应用。为了进一步扩大膨胀剂的功能，可从以下两方面进行研究。 一方面，为达到抗裂防渗的目的，可使膨胀剂中含有形成胶体或其它阻塞、填充毛细孔的组分，在水泥混凝土 硬化后，留在细孔中，切断毛细孔道路，使水难以进入，达到防水的目的；使膨胀剂含活性憎水组分，加入混 凝土后能在毛细管壁上形成憎水层，使毛细管吸附作用减弱，从而降低了混凝土的吸水性。这种憎水作用对于 防止水蒸汽和无压力水进入混凝土是有效的，而对防止压力水的渗透效果不明显。这些组分所产生的综合作用 能使膨胀抗剂具有很好的防水效果，同时又不影响混凝土的其它性能。总之，笔者笔者认为新型混凝膨胀剂应 向多功能方向发展，不仅能产生微膨胀，而且可以减水、引气，阻塞毛细孔，使毛细孔壁憎水，这样使膨胀剂 达到最佳抗裂防渗效果。第二，为了达到扩大工程使用范围，研究膨胀剂对不同品种水的适应性，并可根据需 要研制出具有早强、高强、促凝、缓凝、低水化热、抗冻等系列微膨胀砂浆、混凝土防水新产品。 参考文献 〔1〕 吴中伟 张鸿直，《膨胀混凝土》，中国铁道出版社，１９９０年。 〔2〕 彭红涛 译，《膨胀外加剂在建筑灰浆中的应用》，载华北水利水电学院北京研究生部《科技信息》， １９９４年，第１期。 〔3〕F.M.Lea, The Chemistry of Cement and Concrete, Third Edition 1970