Экспансивный цемент может расширяться до определенного объема в процессе гидратации, в то время как силикатный цемент часто сжимается в процессе затвердевания, вызывая трещины и водопроницаемость в цементных компонентах. Таким образом, расширяющийся цемент устраняет вышеупомянутые недостатки силикатного цемента и улучшает компактность и целостность цементобетонных компонентов.
Когда расширяющийся цемент используется в железобетоне, расширение бетона вызывает определенное растягивающее напряжение на стальных стержнях, и бетон подвергается соответствующему сжимающему напряжению. Это сжимающее напряжение может предотвратить образование внутренних микротрещин в бетоне. Если его величина значительна, оно также может компенсировать часть растягивающего напряжения, вызванного внешними факторами, тем самым эффективно устраняя дефект низкой прочности бетона на растяжение. Это предварительное сжимающее напряжение возникает в результате гидратации самого цемента, что называется самонапряжением, а «величина самонапряжения» (МПа) используется для обозначения величины сжимающего напряжения, возникающего в бетоне.
Экспансивный цемент с различными значениями расширения может быть получен путем изменения пропорции различных компонентов. Экспансивный цемент можно разделить на две категории в зависимости от величины самонапряжения. Если величина самонапряжения составляет ≥2МПа, он называется самонапряженным цементом; если величина самонапряжения составляет <2МПа (обычно около 0,5МПа), он называется экспансивным цементом.
Расширяющийся цемент, универсальный материал, может быть разделен на четыре категории в соответствии с его основными компонентами: силикат, алюминат, сульфоалюминат и алюмоферрат кальция. Механизм его расширения заключается в расширении сульфоната кальция, образующегося в цементной пасте. Силикатный расширительный цемент схватывается и твердеет медленно, а алюминатный — быстро.
Силикатный расширительный цемент состоит из силикатного цемента как основного компонента, с добавлением алюминатного цемента и гипса. Величина его расширения регулируется изменением содержания алюминатного цемента и гипса. Если алюминатный цемент в силикатном экспансивном цементе заменен алюминием, он называется алюмоцементным экспансивным цементом. Основным компонентом алюмита является [K₂SO₄-Al₂(SO₄)₃-4Al(OH)₃], который может генерировать сульфонат кальция и в настоящее время является лучшим экспансивным цементом. Если в силикатный цемент добавить алюминатный экспансивный агент и алюминатный экспансивный агент, то можно получить эффект экспансивного цемента.
Алюминатный экспансивный цемент изготавливается путем смешивания алюминатного цементного клинкера и дигидрата гипса или их раздельного измельчения и последующего смешивания. Он обладает такими преимуществами, как высокая величина самонапряжения, хорошая герметичность и воздухонепроницаемость. Сульфоалюминатный экспансивный цемент состоит из безводного сульфоалюмината и дикальцийсиликата в качестве основных компонентов, а также гипса.
Ферроалюминатный расширительный цемент состоит из железной фазы, безводного сульфоалюмината кальция, силиката дикальция и гипса в качестве основных компонентов.
В настоящее время широко используются следующие виды экспансивного цемента, каждый из которых обладает уникальными свойствами и практическим применением.
1. Алюмосиликатный экспансивный цемент
Гидравлический цементный материал с расширяющими свойствами, изготовленный путем измельчения природного алюмината, гипса и гранулированного доменного шлака (или летучей золы) в соответствующих пропорциях с силикатным цементным клинкером в качестве основного материала, называется алюминатным экспансивным цементом.
Алюминатный экспансивный цемент подразделяется на три марки: 425, 525 и 625. Технические требования к его характеристикам следующие.
(1) Триоксид серы
Содержание триоксида серы в цементе не должно превышать 8,0%.
(2) Удельная площадь поверхности
Удельная поверхность цемента должна быть не менее 420 м²/кг.
(3) Время схватывания
Начальное схватывание должно происходить не ранее чем через 45 минут, а окончательное — не позднее чем через 6 часов.
(4) Прочность
Прочность цемента каждой марки в каждом возрасте должна быть равна значению, приведенному в таблице 2-19.
(5) Скорость расширения
Скорость свободного расширения образцов цементной пасты, отвержденных в воде в различном возрасте, должна соответствовать следующим требованиям: 1d должна быть не менее 0,15%; 28d должна быть не менее 0,35%, но не более 1,20%.
(6) Водонепроницаемость
1:3 После отверждения образца мягкого раствора в воде в течение 3 дней, он должен быть непроницаем под постоянным давлением 1,0МПа в течение 8 часов (Примечание: Необязательный показатель, применяется для проектов по защите от просачивания. Если цемент не используется в противопросадочных проектах, испытание на водопроницаемость можно не проводить).
2. Цемент с низким тепловым микрорасширением
Любой гидравлический цементирующий материал с низкой теплотой гидратации и микрорасширением, изготовленный путем добавления соответствующего количества силикатного цементного клинкера и гипса к гранулированному доменному шлаку в качестве основного компонента, называется цементом с низким тепловым микрорасширением, кодовое название LHEC.
3. Самонапряженный ферроалюминатный цемент
Самонапряженный ферроалюминатный цемент — это прочный, расширяющийся гидравлический цементирующий материал, изготовленный путем добавления соответствующего количества гипса к клинкеру, полученному путем прокаливания сырья соответствующего состава, безводного сульфоалюмината кальция, железной фазы и силиката дикальция в качестве основных минеральных компонентов, и получивший кодовое название SFAC. Продукт подразделяется на три марки в соответствии со значением самонапряжения 28d: 30, 40 и 50.
4. Самонапряженный силикатный цемент
Самонапряженный силикатный цемент, или силикатный расширяющийся цемент, представляет собой расширяющийся гидравлический цементный материал, изготовленный путем измельчения обычного силикатного цемента, глиноземистого цемента и природного водного гипса в соответствующих пропорциях.
Бетон на самонапряженном силикатном цементе дает усадку при укладке на воздухе, но степень усадки составляет всего 0,03-0,06%. После повторного увлажнения и твердения можно восстановить потерянные в результате усадки показатели расширения и самонапряжения. Самонапряженный силикатный цемент обладает хорошей морозостойкостью. После 150 циклов замораживания-оттаивания степень расширения 1:1 самонапряженного цементного раствора такая же, как и при длительном твердении в воде нормальной температуры, но прочность может постоянно повышаться в процессе замораживания-оттаивания.