摘要：介绍铝酸钙膨胀剂在水泥混凝土中应用的防水抗裂机理，混凝土刚性防水的无缝设计依据和施工。铝酸钙膨胀剂具有较低的含碱量，可避免碱一集料反应对建筑物造成的危害，可补偿混凝土的干缩，抵消混凝土冷缩产生的拉应力，提高混凝土的耐久性和强度。
　　关键词：铝酸钙膨胀剂  刚性防水  无缝设计  膨胀

　　l  概  述

　　我公司生产的铝酸钙膨胀剂(以下简称AEA)采用了中国建材研究院的一项专利成果。用该产品配制的补偿收缩混凝土，其硬化前性能与普通混凝土相比具有独特的优点：泌水率和含气量减少、和易性好，是目前国内市场上含碱量低的膨胀剂，避免碱一集料反应对建筑物造成的危害，能提高混凝土的耐久性；塌落度损失小；掺人AEA的混凝土水化热比普通混凝土降低约20％；收缩率小，早期强度发展良好，后期强度提高10％～20％，用AEA的混凝土抗硫酸性、抗碱性、抗碳化性增强，提高钢筋握裹力20％～30％。AEA可广泛用于自防水结构工程，如屋面防水、地下室、贮水池、道路、隧道等工程，并可代替沥青油毡、氯丁胶乳和三元乙丙等有机防水材料，是一种很好的刚性防水材料。使用AEA膨胀剂可降低工程造价，缩短工期，延长建筑物的使用寿命，具有广阔的发展前景。

　　2  AEA膨胀及抗裂防水机理

　　2．1  膨胀机理

　　AEA由转窑煅烧的铝质熟料、硬石膏、明矾石等混合粉磨而成。当AEA掺人混凝土或砂浆中后，铝质熟料中CA首先与CaSO、Ca(OH)2水化生成水化硫铝酸钙即钙矾石，而产生体积膨胀，其化学反应式为：
　　3CA十3CaS04，2H2O十32H2O→C3A·3CaSO4·32H2O十2(A12O3·H2O)

　　其次是活性较低的明矾石在CaSO4、Ca(OH)2的激发下生成钙矾石，在中后期又产生微膨胀，其反应式为：
　　K2SO4·A12(SO4)3·4A1(OH)3十13Ca(OH)2十5CaSO4十78H2O→3(C3A·3CaSO4·32H2O)十2KOH

　　研究表明，AEA水化早期铝质熟料中CA反应在前，膨胀量较大，同时生成的钙矾石与水化氢氧化铝凝胶，使膨胀相与胶凝相合理匹配，既保证了膨胀效能又保证了强度；明矾石反应生成的钙矾石在中后期有微量膨胀，使水泥石后期具有微膨胀势头，改善了水泥一集料界面微区结构，有利于提高混凝土的性能。

　　2．2  抗裂防水机理

　　AEA以取代水泥率8％～12％的量内掺到水泥中，拌成的补偿收缩混凝土，在限制条件下产生的膨胀率为0．02％～0．04％，在钢筋等的约束下，可在混凝土中产生0．2～0．7MPa的预压应力。这一预压应力大致可抵消混凝土硬化过程中产生的收缩拉应力，从而使结构不裂或把裂缝控制在无害范围内。AEA掺入水泥中拌成混凝土后，其膨胀作用主要发生在14d以前，用于补偿混凝土的干缩，但在中后期仍有小量膨胀，其产生的预压应力不但可抵消混凝土冷缩产生的拉应力，同时还可提高混凝土的强度。

　　从AEA抗裂防水机理可知，掺入AEA的混凝土在水化硬化的整个过程中，建立起了干缩和冷缩的联合补偿模式，从而使混凝土结构内部不断致密，最终达到超长混凝土结构无缝施工的目的。

　　特别指出：AEA在抗裂防水的大体积混凝土中发挥着独特的功效，即降低水泥石的水化热，从而防止超厚混凝土不会因过多的水化热不能及时排出而破坏混凝土结构。 经过实验，内掺10％AEA后，可使硅酸盐525＃水泥3d水化热降低20％多，可使矿渣425＃水泥3d水化热降低近10％。

　　3  AEA混凝土无缝设计及施工

　　我公司生产的AEA在柳州鱼峰商业城、长沙市锦锈大厦、海南商业广场、广州市金晖花园金晖大厦、厦门机场飞机维修机库等50多个大工程中成功应用，其使用方法采用了中国建材院无缝设计与施工的新技术。

　　3．1  无缝设计的理论依据

　　无缝设计的理论依据是《建筑物的裂缝控制》一书中提出的混凝土裂缝间距计算公式。
　　　　　　　　H·E　　　　　　　| αT |
　　L=1．5 √ ———— ·arcosh ————— （㎝）
　　　　　　　　Cχ　　　　　　　　|αT|-εр
　　式中  H—板或墙的计算厚度或高度
　　　　E—混凝土的弹性模量(×10  4 次方MPa)
　　　　Cχ—地基对混凝土的约束系数(N／mm3)
　　　　α—混凝土的线膨胀系数(10×10  6次方)
　　　　T—综合温差(℃)
　　　　arcosh—双曲余弦的反函数
　　　　εр—混凝土配筋后的极限拉伸(×10  4次方)
　　其中：εр＝0．5Rl(1十р／d)×10 —4次方
　　式中  Rl—混凝土抗拉强度(MPa)
　　　　P—配筋率，即μ×100
　　　　d—钢筋直径(㎝)。

　　该公式是用极限变形计算伸缩缝间距，由上式可知，温差收缩是决定混凝土裂缝间距的关键， 一般总αT大于εр，它们的差距越大，伸缩缝间距越小； 差距越小，伸缩缝间距越大。如果设法使∣αT | 趋近于|εp |，arcosh∞→∞，则完全无需伸缩缝，这就需要降低温差或混凝土收缩，提高混凝土的极限拉伸εр，要提高混凝土的εр是十分困难的，只有设法降低混凝土的水化热和收缩，即控制裂缝原则是αT＜εр。

　　为达到这一目的，施工中已有许多有效措施，如掺粉煤灰、缓凝剂、集料冷却、埋入冷却水管和保温养护等。但这样成本太高，工序也复杂得多。

　　掺入AEA的混凝土在水化和硬化过程中产生膨胀效应，14d的限制膨胀率约0．02％～0，04％，它不但可补偿混凝土收缩，而且能降低混凝土的温差，从而使结构的αT＜εp，防止结构产生裂缝，这就是AEA采用无缝设计与施工的依据。

　　3．2  AEA混凝土的设计

　　AEA混凝土在设计上与《普通混凝土配合比设计技术规范》相同。合格未过期的425＃及425＃以上的5大类水泥均可掺AEA，同时注意单方水泥用量最低不小于300kg。

　　从国内外有关规范得知，对钢筋混凝土结构最大伸缩缝间距作了严格规定，对于现浇混凝土结构，根据结构形式和使用条件，规定在30m左右。但是，其后浇缝的清理十分麻烦。另外，后浇缝一般要过6周至2个月才能填缝，工期大大延长，同时，填缝不好，还会留下渗漏隐患。AEA混凝土避免了这一缺点。据AEA混凝土设计的理论依据及实际应用可知，一般AEA掺量8％～12％，在地下部分，AEA混凝土在60～80m以内可不留后浇带，在地上由于受环境温度影响大，50m以内可不留后浇带。但超出上述范围时，为保险起见，采用AEA膨胀加强带取代后浇缝，即在收缩应力最大的地方多掺入2％～3％的AEA，使其产生相应较大的膨胀来补偿结构的收缩，加强带位置一般设在后浇带上，见图1、图2所示。

　　AEA膨胀加强带的宽度一般为2～2．5m，带之间适当增加水平钢筋10％～15％，带的2侧分别设Φ5～Φ8㎜铁丝网，一是防止混凝土流入带，二则限制2边混凝土的预应力。

　　3．3  AEA混凝土的施工

　　在施工时，先浇筑带外混凝土，浇到加强带时，改换掺12％～14％AEA混凝土，其膨胀率在0：04％～0，06％，考虑膨胀作用使混凝土的自由强度降低，其混凝土标号要比两侧混凝土高0．5个标号，由于2侧和钢筋的绝对限制作用，膨胀率大的AEA混凝土的强度实际不会下降，相反起增强作用，同时AEA的混凝土抗渗标号比不掺AEA的高2～3倍，抗冻标号达D150以上。 AEA混凝土实行无缝设计，同时施工可连续进行，大大缩短了工期，受到用户的欢迎。

　　为确保工程质量，AEA混凝土施工除遵守普通混凝土施工规范外，还必须注意以下几点：

　　(1)AEA混凝土搅拌时间比普通混凝土的时间长30s，达到均匀方能出料。

　　(2)严格控制用水量，施工当中严禁随意加水。

　　(3)在炎热和水分蒸发快的条件下，应对终凝前的混凝土进行2次抹压，防止表面裂缝的出现。

　　(4)AEA混凝土浇筑后要特别注意养护，应据气温情况及时浇水或采取其它措施，使混凝土表面始终处于湿润状态，养护期为14d，0℃以下施工要保证入模温度大于5℃，并在浇筑后立即进行保温养护。

　　4  经济效益分析

　　大量工程实践证明，AEA混凝土不但有使用寿命长，施工进度快等间接经济效益，还有如下直接经济效益。

　　(1)节省结构外防水费用，以面积为1000m2，底板厚为30cm的工程为例。外防水材料若选用SBS沥青防水卷材，单价为28．5元／m2， 总费用2．85万元； 而防水材料选用AEA，单价1700元／t，lm3 C30混凝土AEA掺量为36kg，总费用为1．836万元。

　　(2)节省水泥10％，计节省费用0．324万元。以上2项节约材料费1．338万元。

　　(3)节省后浇缝清理及浇灌费用。

　　(4)节省工期费用。

　　AEA被列为1997年建设部重点推广的防水材料，将具有良好的经济和社会效益。