膨胀水泥
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第57页（7234字）
常用的水泥在凝结硬化的过程中，一般会产生一定的收缩，使水泥混凝土出现裂纹，影响混凝土的强度、整体性、抗腐蚀性和耐久性。而膨胀水泥则可以克服这一弱点，在水化硬化过程中能够产生一定的膨胀，增加水泥石的密实度，消除由收缩带来的不利影响。
配制膨胀混凝土一般有两种途径，即利用膨胀水泥，或者掺加膨胀剂。我国与美国、俄罗斯等国皆利用膨胀水泥，而日本是利用掺加膨胀剂的办法。
现在已有的膨胀水泥与膨胀剂，按其膨胀组分或膨胀产物不同可分为五种类型，即：硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类及发泡类。其中应用最多的是硫铝酸盐类，包括硅酸盐自应力水泥、硫铝酸盐膨胀水泥、明矾石膨胀水泥、明矾石膨胀剂、石膏矾土膨胀水泥、低热微膨胀水泥、铝酸盐自应力水泥和铁铝酸盐膨胀水泥等，其他如美国的K型、M型、S型膨胀水泥和日本的CSA膨胀剂也属于此种类型。
凡是由于产生硫铝酸钙水化物晶体而发生膨胀的水泥和膨胀剂皆属此类，其品种很多，均按原料、成分、膨胀剂和用途的不同而命名，它们水化反应生成钙矾石，反应通式为：
6CaO+Al2O3+3SO3+32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
目前，常用的硫铝酸盐类膨胀水泥主要有以下几种：
(一)明矾石膨胀水泥(AEC)
根据《明矾石膨胀水泥》(JC／T311一2004)标准规定，凡以硅酸盐水泥熟料为主，天然明矾石、石膏和粒化高炉矿渣(或粉煤灰)，按适当比例磨细制成具有膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为明矾石膨胀水泥(简称AEC)。这是我国于1967年由原中国建筑材料科学研究院研制成功的，明矾石膨胀水泥分为425、525、625三个标号。
天然明矾石是制造明矾的原料矿石，我国明矾石蕴藏量十分丰富，早在一千多年前就用来烧制明矾。明矾石的主要矿物组成是[K2SO4·Al2(SO4)3·Al(OH)2]。制造明矾石膨胀水泥的明矾石成分中，要求Al2O3含量大于16%，SO3含量大于15%。
明矾石膨胀水泥中三氧化硫含量不得超过8．0%；水泥比表面积不得低于420m2／kg；初凝不得早于45min，终凝不得迟于6h；要求比表面积为4800±200cm2／g；水泥净浆试体在水中养护至各龄期的自由膨胀率应符合以下要求：1d不得小于0．15%；28d不得小于0．35%，但不得大于1．20%；1∶3软练胶砂试体水中养护3d后，在1．0MPa水压下恒压8h，应不透水。这种水泥28d的抗压强度可达70MPa，6个月可达90MPa，抗拉强度也比同标号的硅酸盐水泥高。
明矾石膨胀水泥最明显的特点，是具有优良的膨胀性能。当水泥用量为400kg／m3时，湿养护14d(相对湿度大于85%)，自由膨胀达(10～11)×10－4，限制膨胀达(6～7)×10－4，剩余自应力为0．18MPa，混凝土不会出现收缩。
行业标准《明矾石膨胀水泥》(JC／T311－2004)中规定，水泥净浆试体在水中养护至各龄期的自由膨胀率应符合以下要求：1d不得小于0．15%；28d不得小于0．35%，但也不得大于1．20%。
明矾石膨胀水泥混凝土，也具有优良的抗渗性，被誉为防水水泥，用其配制的混凝土抗渗标号大于S20，水泥砂浆的抗渗标号可达S40。当水泥用量为400kg／m3时，能承受2．5MPa的水压，为相同水泥用量普通水泥混凝土的2．08倍。
此外，明矾石膨胀水泥的水化热较低，3d龄期时比同强度普通水泥低20．96J／g，7d龄期时低14．65J／g，故有利于冷缩的补偿；明矾石水泥混凝土对钢筋无锈蚀作用，其他性能与普通水泥混凝土相近，作为一种补偿收缩用的水泥混凝土，有很大发展前途。
前苏联和保加利亚等国家，对明矾石膨胀水泥进行了大量科学研究。认为这种水泥具有较大的膨胀能，早期强度较高，后期强度增加较多，尤其是抗拉强度比普通水泥高，并且具有耐风化和便于贮存等特点，其他性能与普通水泥相似。
明矾石膨胀水泥各标号水泥各龄期强度不得低于表4－13中的数值。
表4－13 明矾石膨胀水泥各龄期强度值
(二)自应力硅酸盐水泥
自应力硅酸盐水泥，亦称硅酸盐膨胀水泥。此种水泥由前苏联的米哈依洛夫在20世纪50年代首创，因此又称为M型水泥。我国于1957年试制成功，由于在生产时对原料成分做了一些适当调整，从而解决了前苏联同种水泥的快凝问题。美国于1968年才开始生产这种水泥。根据《自应力硅酸盐水泥》(JC／T218－1995)标准的规定，以适当比例的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、高铝水泥和天然二水石膏磨制而成的膨胀性的水硬性胶凝材料。称为自应力硅酸盐水泥。
前苏联首创的自应力硅酸盐水泥，最大的缺点是快凝问题，不利于施工。我国研制成功的此种水泥，则克服了这一缺陷。其配比为：普通水泥熟料为85%～88%、高铝水泥为6．0%～7．5%、天然二水石膏为6．0%～7．5%。主要用于制作自应力(或钢丝网)混凝土(或砂浆)压力管，也可以用作屋面刚性防水层。
自应力硅酸盐水泥的初凝时间为1～4h，终凝时间不迟于8h。其混凝土和砂浆的自由膨胀率在1%～3%范围内，在约束条件下，自应力值分为2．0MPa、2．9MPa、3．9MPa和4．9MPa四个等级。膨胀稳定期一般为5～14d，最迟不超过28d。由于膨胀在7d内几乎达到最大值，因此，其自应力和抗压强度亦几乎达到最大值，抗压强度一般在24．5～54MPa的范围内。
自应力硅酸盐水泥混凝土置于空气中会发生干缩，但干缩率仅为0．03%～0．06%，重新再湿养护后，能恢复干缩失去的膨胀和自应力值。试验证明，自应力硅酸盐水泥的抗冻性很好，1∶1自应力水泥砂浆经过150次冻融循环，其膨胀程度与常温水中长期养护不仅基本相同，而且强度在冻融过程中能不断提高。
自应力硅酸盐水泥根据28d自应力值的大小分为四个能极，代号为S1、S2、S3、S4。每一级能极自应力的值应符合表4－14中的要求。
表4－14 自应力硅酸盐水泥各能极的自应力值(JC／T218－1995)
K型水泥在美国应用得最多，约占全部膨胀水泥的90%。这种水泥是以硅酸盐水泥为主要组分，掺加以石膏、石灰石和白矾土煅烧而成的膨胀组分。自1964年投产以来，全部用作补偿收缩混凝土，曾在各种工程中广泛应用。美国研制的S型水泥，由于掺加10%的石膏磨制而成，因其SO3含量较高，其抗硫酸盐、抗冻性等性能均不如K型水泥，现已被K型水泥所代替。
(三)低热微膨胀水泥
低热微膨胀水泥，是长江水电研究院经过大量试验研究后，研制成功的以水化热低为特征的微膨胀水泥，其组分的配比介于矿渣硅酸盐大坝水泥与石膏矿渣水泥之间。其配比为：普通水泥熟料15%、水淬矿渣77%、烧石膏8%。
这种水泥最显着的特点是水化热低与微膨胀，7d的水化热为159．1～175．8J／g，仅为美国低热波特兰水泥的2／3左右，比矿渣大坝水泥还低41．8～62．8J／g，并且升温速率较慢，持续时间较长，有利于冷缩的补偿。
低热微膨胀水泥净浆，其自由膨胀率约为0．15%～0．20%，自应力值可超过0．4MPa。据试验，当水泥用量为233kg／m3时，采用水灰比为0．5～0．7的混凝土，其自由膨胀率为3×10－4，5d内膨胀基本结束；在限制条件下，水养护5d自应力值为0．33MPa，再在空气中存放110d，残余自应力可达0．07MPa。
根据《低热微膨胀水泥》(GB2938－1997)中的规定，水泥净浆试体水中养护至各龄期的线膨胀率应符合以下要求：1d不得小于0．05%；7d不得小于0．10%，28d不得大于0．60%。水泥中三氧化硫含量应为4%～7%。水泥比表面积不得小于300m2／kg。初凝不得早于45min；终凝不得迟于12h，也可由生产单位和使用单位商定。安定性用沸煮法检验必须合格。各标号水泥的各龄期强度不得低于表4－15中的数值，各标号水泥各龄期水化热不得超过表4－16中的数值。
表4－15 低热微膨胀水泥各龄期强度值(GB2938－1997)
表4－16 低热微膨胀水泥各龄期水化热指标(GB2938－1997)
注：在特殊情况下，水化热指标允许由生产单位和使用单位商定。
低热微膨胀水泥早期强度增长较快，7d可达28d强度的75%，28d强度接近于同强度等级的矿渣大坝水泥，但后期强度增长很少。与其他膨胀水泥一样，这种水泥具有抗渗性高、泌水少、和易性好、凝结时间较长、利于施工等优点，也无一般石膏矿渣水泥早期碳化和起砂等缺点。但是，其抗冻性较差，不能用于冻融循环次数较多的表面混凝土。若加入适宜的外加剂也能大大改善其抗冻性。
由于低热微膨胀水泥同时具有低热与微膨胀两个特点，所以特别适用于大体积混凝土的冷缩补偿。
(四)铝酸盐自应力水泥
铝酸盐自应力水泥，是原中国建筑材料科学研究院于20世纪70年代研制成功的一种膨胀水泥，至今仍是膨胀能较大的品种之一。由于矾土水泥价格较昂贵，细度要求较高，因而这种高膨胀性能水泥的价格较高，所以其使用范围受到一定限制。但这种水泥的自应力值可超过6MPa，抗渗性与气密性很高，可以适用于高压输水管和高压输气管道。
根据《铝酸盐自应力水泥》(JC214－91)标准的规定，凡以矾土水泥熟料和二水石膏磨细制成的大膨胀率水硬性胶凝材料，称为铝酸盐自应力水泥。铝酸盐自应力水泥主要用于制作自应力钢筋(或钢丝网)混凝土(或砂浆)压力管及其配件。此种水泥的配比为：矾土水泥熟料60%～66%、二水石膏34%～40%，比表面积不应小于4500cm2／g。
铝酸盐自应力水泥的初凝时间不早于30min，终凝时间不迟于4h；1∶2软练标准砂浆的自由膨胀率，7d不大于1．0%，28d不大于2．0%；抗压强度，7d不小于28．0MPa，28d不小于34．0MPa；自应力值，在约束条件下，分别为3．0MPa、4．5MPa和6．0MPa三个等级。
铝酸盐自应力水泥石结构致密，在正常空气中比硅酸盐水泥及自应力硅酸盐水泥都慢，因此不仅干缩值较小，而且自应力保留率较高。试验结果表明，其抗渗气密性优良，1∶1硬练砂浆的抗渗试件，在4．9MPa的水压下2h不透水；1∶1．2砂浆钢丝网单管，在1．2MPa气压下不透气。
另外，此种水泥抗硫酸盐能力较强，一般质量的不受浓度为0．5%Na2SO4溶液的侵蚀，质量较好的不受浓度为1%Na2SO4溶液的侵蚀；由于水泥石结构致密，虽然pH值为10．5，但空气中的氧气、二氧化碳和水很难渗透，所以对钢筋无锈蚀危害。
(五)铁铝酸盐膨胀水泥
铁铝酸盐水泥是于1982年由原中国建筑材料科学研究院研制成功，属于硅酸盐系列。其主要矿物组成为C4AF、C2S和无水硫铝酸钙，以无水硫铝酸钙代替了硅酸盐水泥中的C3A和C3S，使这种水泥不仅保持了硅酸盐的属性，又兼有早强与膨胀特性，再加入不同量的石膏，可以制得早强和不同膨胀性能的水泥，可用于早强、低温施工、补偿收缩和自应力混凝土。
铁铝酸盐膨胀水泥自应力值较高，一般可达到4．4～5．9MPa，膨胀稳定期较短，长期性能稳定，具有良好的耐硫酸盐侵蚀能力。由于原料来源较广，烧成温度较低(比硅酸盐低200℃左右)，特别是膨胀指数低于一般膨胀水泥，适宜于发展高自应力用途，是一种很有发展前途的新型膨胀水泥。
(六)硫酸盐早强－自应力水泥
硫酸盐早强－自应力水泥，是1974年由原中国建筑材料科学研究院与石家庄水泥制品厂，利用较低品位的矾土原料(Al2O3含量55%～65%)，与石灰石、石膏在较低的煅烧温度(1350℃左右)下制成熟料，其主要矿物成分为无水硫铝酸钙与硅酸二钙。在上述熟料中再掺加不同量的二水石膏磨细，便能制成不同膨胀能的硫铝酸盐水泥，即硫酸盐早强－自应力水泥。
这种水泥曾用于多项工程中，均取得良好的效果。特别用于各种早强混凝土、各种补偿收缩混凝土与自应力混凝土压力管道，更显示其优越性。因其具有低温下硬化的特征，所以能用于冬期施工。工程实践证明，其快硬、早强、高强性能最突出，如1∶3的水泥砂浆，抗压强度12h可达30MPa，1d可达40MPa，3d可达50MPa，抗拉强度也高于同强度等级的硅酸盐水泥。在一定的限制条件下，利用其不同程度的膨胀性能可提高结构物的抗渗性与气密性。但其碱度低于硅酸盐水泥，其抗碳化性能与保护钢筋的防锈能力较差，故应重视保护层的致密性和厚度。此外，在贮运时应注意防潮，避免因吸湿而发生变质。
(七)明矾石自应力水泥
明矾石自应力水泥(简称ASC)是由一定比例的硅酸盐水泥熟料、天然明矾石、二水石膏和矿渣共同粉磨而制成的具有膨胀性能的水硬性胶凝材料。主要用于制作钢筋(或钢丝网)混凝土(或砂浆)压力管及其配件。
明矾石自应力水泥的初凝时间不早于45min，终凝时间不迟于6h。试验结果表明，其自由膨胀率与限制膨胀率的比值，在1．0～4．5之间，远远小于自应力硅酸盐水泥(5～20)。这表明用明矾石自应力水泥制作的自应力压力管，可避免由于局部膨胀过大即造成保护层脱落而无法使用的情形。
明矾石自应力水泥的膨胀稳定期一般为3～6个月，个别达到一年以上，但其强度仍继续发展，自由膨胀率也不大，对明矾石自应力水泥制品的使用性能无不良影响。在40℃水中养护，可促使钙矾石的生成，有助于自应力在早期发挥，能使膨胀稳定期缩短，提高自应力值和强度。
将1∶2明矾石自应力水泥砂浆和混凝土试件水中养护28d，再置于正常空气中5个月，其剩余自应力值分别为0．31MPa和0．93MPa，下降约为原值的3／4，如将试件再放入水中养护28d，自应力值可恢复到原值的2／3。
明矾石自应力水泥水化反应后，除生成具有膨胀性的钙矾石外，还生成C-H-S凝胶和Ca(OH)2。明矾石自应力水泥中的矿渣对水泥石和混凝土的膨胀有稳定作用。这些水化产物之间及与某些组分之间的相互作用协调发展，是导致明矾石自应力水泥的膨胀与强度同步增长、水泥石结构比较密实的主要原因。
(八)硫铝酸盐早强－微膨胀－自应力水泥
硫铝酸盐早强－微膨胀－自应力水泥，是以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的熟料，掺加适量的二水石膏制成。按石膏的掺量多少，分别得到早强、微膨胀和自应力三种特性。当掺加适量石膏时，适用于补偿收缩混凝土。
这种水泥的突出缺点是抗风化能力差，在储运过程中必须注意防潮。属于这一类的水泥和膨胀剂很多，如美国应用较多的K型水泥、S型水泥，日本用来配制补偿收缩混凝土的硫铝酸钙膨胀剂等。