多种膨胀源的混凝土膨胀剂的补偿收缩作用机理

Concrete expansive agent is a widely used special additive. China is the largest manufacturer and user of expansive agent worldwide. It is lack of fundamental research about the reaction mechanism of expansive agent, which hinders its production and utilization. This project focuses on the reaction mechanism of expansive agent of twin expansive components of expansive agent based on CaO- C4A3$ system, which is main variety now in China and deals with the reaction mechanism and effect of multi expansive components of expansive agent based on MgO. The hydration of these expansive agents will be studied and their reaction kenetics will be determined. The influencing factors of hydration and shrinkage-compensating behavior of multi expansive components of expansive agents will be studied. The interaction of Portland cement and expansive agent will be investigated. The behavior of different expansive agents in shrinkage-compensating concrete cured in different conditions and with different strength will be investigated. The results from this project will be a theoretical foundation of development of new type of expansive agent, suitable use of expansive agent. The performance of shrinkage-compensating concrete can be adjusted to reduce the risk of cracking of concrete structure based on the results of this project. The experimental data can support the involvement of new type of expansive agent in national standard.

混凝土膨胀剂是一种广泛使用的混凝土特种材料。我国是膨胀剂生产和使用量最大的国家，但是对于膨胀剂的作用机理的基础研究不多。这不利于膨胀剂的生产和使用。本课题针对现在大量使用的氧化钙-硫铝酸钙型的双膨胀源膨胀剂的作用机理进行研究，同时关注基于氧化镁的多膨胀源膨胀剂的作用机理和效果。本课题将开展多膨胀源膨胀剂的水化反应的研究，确定其水化动力学。研究各种因素对多膨胀源膨胀剂的水化反应和补偿收缩行为的影响，以及膨胀剂的水化反应与硅酸盐水泥的水化反应之间的相互影响。研究不同膨胀源的膨胀剂在不同强度等级、不同养护条件下的补偿收缩混凝土中的表现；以及对于补偿收缩混凝土性能的影响规律。本课题成果将为开发新型膨胀剂，科学合理使用膨胀剂，调控补偿收缩混凝土的性能，提出降低混凝土结构开裂风险的技术措施打下理论基础。为在现行国家的膨胀剂产品标准中拓展膨胀剂品种提供实验数据支撑。

补偿收缩混凝土是控制混凝土结构开裂的重要手段。配制补偿收缩混凝土所需的功能性外加剂为膨胀剂。本项目对现在大量使用的氧化钙-硫铝酸钙型的双膨胀源膨胀剂和新出现的氧化镁膨胀剂的作用机理和应用效果开展研究。重点研究两种膨胀剂的水化反应过程和产物形态，确定其水化动力学，观察两种膨胀剂在不同强度等级、不同养护条件下的补偿收缩混凝土中的表现；以及对于补偿收缩混凝土性能的影响规律。本项目还探索了采用工业废渣烧制复合氧化镁膨胀剂的可能性；以及在高温高压环境中氧化镁膨胀剂的行为表现。研究结果显示，氧化钙-硫铝酸钙型膨胀剂反应迅速，膨胀效能高，作用期短；水化产物存在两种形态的钙矾石。其作用机理除吸水肿胀和晶体生长外，还有孔隙粗化作用。适当掺量时对混凝土的力学性能无明显影响。氧化镁膨胀剂反应活性可调，可适应不同温度环境和强度发展要求。在混凝土中的产物为片状氢氧化镁晶体，构成空间网状结构。小的氢氧化镁晶体会向大晶体转化，产生较大结晶压力，导致体积膨胀。高活性氧化镁早期膨胀快，但最终膨胀量较低；低活性氧化镁早期膨胀小，但最终膨胀量大。氧化镁掺量适当时对于混凝土的力学性能无明显影响，但会降低其工作性，提高绝热温升。研究结果在实际工程试验中得到证实。主编和参编了氧化镁膨胀剂的两部标准，指导其生产和工程应用。采用白云石和蛇纹石工业尾矿的混合物来制备MgO膨胀剂证明是可行的。设计了一种新的氧化镁活性评估方法：剩余质量法，以完整评估氧化镁膨胀剂的活性。提出的在高温高压环境中氧化镁膨胀剂的性能评价方法已在中海油的超深油井钻探作业中使用，用于选择合适的膨胀剂品种和掺量，配制无收缩的超深油井固井水泥浆。