Hva er virkningsmekanismen til ekspansjonsmiddel i betong?

Innen konstruksjonsteknikk er forekomst av betongsprekker og vannlekkasje vanlig, og strukturelle sprekker kan påvirke estetikken eller, i alvorlige tilfeller, sikkerheten til bygningen. På grunn av faktorer som økt sementbruk, høyere styrkekrav, konstruksjonsforhold og utilstrekkelig herding, er dannelsen av sprekker i betongkonstruksjoner uunngåelig. Foreløpig er den eneste mulige tilnærmingen innen ingeniørfag å kontrollere sprekker innenfor ufarlige grenser.

Årsaker til betongsprekker

Det er ulike årsaker til at betong sprekker i byggeprosjekter, inkludert konstruksjonsdesign, konstruksjonsherding og råvarer. Den primære årsaken til sprekker er strekkspenningen som genereres når betong opplever belastning, deformasjon og blanding under herdeprosessen. Sprekker oppstår når den indre strekkspenningen overstiger betongens endelige strekkfasthet. Blant disse utgjør ikke-strukturelle sprekker forårsaket av deformasjon 80 %, og flertallet av disse ikke-strukturelle sprekkene skyldes betongsvinn (som autogen krymping, plastisk krymping, tørkesvinn, termisk krymping, etc.).

Det er ingen detaljerte tekniske spesifikasjoner for å kontrollere ikke-strukturelle sprekker, og vanlige metoder som brukes i prosjektering inkluderer utforming av ekspansjonsfuger eller bruk av "hoppevarehusmetoden" under konstruksjon. Denne tilnærmingen forlenger imidlertid byggeperioden og øker rengjøringskostnadene. Omfattende ingeniørapplikasjoner har vist at den mest effektive metoden er å bruke krympekompenserende betong for sprekkkontroll.

Mekanisme og påføring av ekspansive midler

Betongekspansive midler er tilsetningsstoffer som, når de tilsettes betongen, får den til å utvide seg i volum, og kompenserer for betongens krymping. Ekspansive midler er klassifisert basert på deres ekspansive komponenter, slik som kalsiumsulfoaluminat, CaO-basert, MgO-basert, kalsiumsulfoaluminat-kalsiumoksid og kalsium-magnesium-kompositttyper. På grunn av de forskjellige ekspansive komponentene varierer deres ekspansjonsytelse også. De mest aksepterte mekanismene for ekspansive midler inkluderer teorien om krystallinsk vekst, teori om vannabsorpsjonssvelling og fastfase volumekspansjonsteori.

2.1 Kalsiumsulfoaluminatbaserte ekspansive midler

Ekspansjonseffekten av kalsiumsulfoaluminatbaserte ekspansive midler oppnås først og fremst gjennom dannelsen av kalsiumettringitt (C3A-3CaSO4-32H2O) under hydrering. Eksisterende studier tyder på at den kombinerte effekten av det krystallinske veksttrykket og vannabsorpsjonssvellingskraften til ettringitt er den grunnleggende årsaken til ekspansjon, med vannabsorpsjonshevelse som den dominerende faktoren. Basert på denne teorien krever hydratiseringsreaksjonen til ettringitt en betydelig mengde vann, noe som begrenser bruken i høyfast betong med lave vann-sementforhold. I tillegg krever betong som inneholder kalsiumsulfoaluminatbaserte ekspansive midler streng herdekontroll. Feil herding kompenserer ikke bare for krymping, men øker også risikoen for sprekker. Dessuten kan kalsium ettringitt brytes ned i fuktige og varme omgivelser, noe som påvirker styrke og holdbarhet. Derfor bør spesiell oppmerksomhet rettes mot miljøtemperaturen ved bruk av kalsiumsulfoaluminatbaserte ekspansive midler i ingeniørarbeid.

2.2 Kalsiumoksidbaserte ekspansive midler

Ekspansjonsmekanismen til kalsiumoksidbaserte ekspansive midler involverer hydrering av kalsiumoksid (CaO) for å danne kalsiumhydroksid (Ca(OH)2). Denne prosessen øker fastfasevolumet, og lokal akkumulering av hydreringsprodukter forstørrer porevolumet, noe som resulterer i volumutvidelse av pastaen. Sammenlignet med kalsiumsulfoaluminatbaserte ekspansive midler, krever kalsiumoksidbaserte ekspansive midler mindre vann, har høyere ekspansjonseffektivitet og er mer kostnadseffektive, noe som gjør dem mer utbredt. CaO reagerer imidlertid eksotermt med vann, noe som er skadelig for å kontrollere temperatursprekker i betong. I tillegg fører den raske hydratiseringshastigheten til CaO til at betydelig ekspansjon forbrukes i plastfasen av betong, noe som gjør den ineffektiv for å kompensere for krymping i senere stadium. CaO er også følsom for miljøfuktighet, og krever nøye emballasje for å forhindre fuktighetsabsorpsjon, noe som kan redusere ekspansjonseffektiviteten. Videre er Ca(OH)2 løselig under visse vanntrykk, så det er nødvendig med forsiktighet ved bruk av kalsiumoksidbaserte ekspansive midler i undervannskonstruksjonsprosjekter.

2.3 Magnesiumoksidbaserte ekspansive midler

Ekspansjonseffekten av magnesiumoksidbaserte ekspansive midler skjer gjennom hydrering av magnesiumoksid (MgO) for å danne magnesiumhydroksid (Mg(OH)2), med volumendringen drevet av vannabsorpsjonssvellingskraften til Mg(OH)2 i de tidlige stadiene av hydratisering og det krystallinske veksttrykket til Mg(OH)2 i de senere stadiene. Omfattende studier og ingeniørapplikasjoner har vist at magnesiumoksidbaserte ekspansive midler viser forsinket ekspansjon og en lang ekspansjonssyklus, som effektivt kan kompensere for temperaturkrymping under avkjølings- og tørkekrymping. Deres mekaniske egenskaper er stabile, og de krever mindre vann for hydrering. Magnesiumoksidbaserte ekspansive midler har også fordelene med stabile hydreringsprodukter og justerbare ekspansjonsegenskaper, noe som gjør dem allment anvendelige i storskala betongprosjekter som dammer. I praksis bør faktorer som betongstyrke, strukturelle dimensjoner og konstruksjonsmiljø tas i betraktning når du velger sprekkbestandige midler med høy ytelse av betong eller ekspansive midler for magnesiumoksid med forskjellig reaktivitet (R-type, M-type, S-type) til kompensere for krymping av betong, og dermed oppnå full-syklus sprekkkontroll og forenkle temperaturkontrolltiltak. Man må imidlertid være oppmerksom på doseringen av magnesiumoksidbaserte ekspansive midler, da for store mengder kan forårsake overdreven ekspansjon, noe som fører til dårlig volumstabilitet.

2.4 Ekspansive agenter med dobbel ekspansjonskild

Vanlige ekspansive midler med doble ekspansjonskilder på markedet inkluderer kalsiumsulfoaluminat-kalsiumoksid-baserte ekspansive midler (som HCSA, CSA, FQY, etc.) og kalsium-magnesium-kompositt-ekspansive midler.

Kalsiumsulfoaluminat-kalsiumoksidbaserte ekspansjonsmidler: Ekspansjonskildene til disse midlene er ettringitt og Ca(OH)2. Når disse midlene brukes i betong, kompenserer Ca(OH)2 for tidlig svinn, mens ettringitt kompenserer for svinn i de senere stadiene. Utvidelsen fra disse kildene skjer på forskjellige stadier, og oppnår en effektiv krympekompensasjonseffekt. Sammenlignet med enkeltekspansjonskilder har kalsiumsulfoaluminat-kalsiumoksid-baserte ekspansjonsmidler fordelene med større ekspansjon, lavere vannbehov og en tidligere stabil ekspansjonsperiode. De er mye brukt i prosjekter som selv-vanntetting av betongkonstruksjoner og sømløs konstruksjon av superlange strukturer.

Kalsium-magnesium sammensatte ekspansive midler: Disse midlene lages ved å kombinere lett forbrent magnesiumoksid med kalsiumoksid, med ekspansjonskilder fra Ca(OH)2 og Mg(OH)2. Ekspansjonshastigheten til disse komposittmidlene justeres av den raskere hydreringshastigheten til kalsiumoksid og den langsommere hydratiseringshastigheten til magnesiumoksid. Denne justeringen tillater trinnvis, fullsykluskompensasjon av betongsvinn. Dessuten overvinner kalsium-magnesium-kompositt-ekspansive midler temperaturfølsomheten til enkelt kalsiumoksidbaserte ekspansive midler, noe som gjør dem egnet for prosjekter med mindre strenge krav til temperaturkontroll.