混凝土的裂缝防治是混凝土工程界长期以来致力解决的一大技术问题。
混凝土在硬化过程中和干燥过程中，由于化学收缩、干燥收缩、自收缩等原因，存在体积收缩的问题，而混凝土的抗拉强度低(只有其抗压强度的1/10以下)，加之混凝土脆性较大，抵抗变形的能力较差，所以实际混凝土结构中很容易产生裂缝。在保证结构安全和耐久性的前提下，裂缝是一种可以接受的材料特征，许多混凝土结构是允许混凝土带缝工作的。然而，近年来，随着结构尺寸的增加和结构形式的复杂化，以及混凝土强度等级的提高，结构裂缝出现的几率大大增加，有些已危及结构的安全性和耐久性，影响其使用功能。众多裂缝控制方法中，利用膨胀剂的收缩补偿作用控制混凝土裂缝的方法在工程中最为普遍。
在混凝土结构修补、设备底座灌浆等工程中，如果采用普通混凝土或砂浆，则它们在硬化过程和随后的干燥失水过程中，体积收缩，无法与结构原有部分有效粘结，而灌浆材料则会与设备底座接触部分脱开，起不到紧密接触、承担载荷的作用，在这一类混凝土或砂浆中掺加膨胀剂是解决问题的唯一途径。
预应力混凝土的发明成功解决了混凝土的抗拉和抗开裂问题，但是对于形状复杂的结构物，预应力钢筋难以张拉，如薄壁混凝土管、异型截面梁等。在这些结构混凝土中，如果掺加了膨胀剂，则可以利用混凝土硬化过程中本身产生的膨胀作用，对内部所配制的钢筋进行各个方向上的“张拉”，从而产生预应力，这就是所谓的自应力混凝土。
混凝土膨胀剂是指掺入混凝土后，能使混凝土在硬化过程中因化学作用产生一定体积膨胀的外加剂。
为了解决混凝土收缩开裂的问题，人们最开始利用导致混凝土膨胀破坏的破坏源——水泥杆菌(即钙矾石)的膨胀作用，变害为利，补偿混凝土的收缩，取得成功。在这项工作中，美国科学家Lossier于1936年前后奠定了重要基础，他利用钙矾石的膨胀作用制备了化学预应力混凝土。随后，美国开始开发研制膨胀水泥。
1958年，美国人A.克莱因(A.Klein)研制成功了一种硫铝酸盐型水泥，取名K型水泥，并取得了膨胀水泥得专利。该水泥在1963年开始用于收缩补偿混凝土，并大量生产，在多种结构中推广应用。
美国AC15中将膨胀水泥分为K型、M型和S型三种类型。其中，K型膨胀水泥由波特兰水泥、无水硫铝酸钙、石膏和煅烧石灰以一定比例配合而成；M型膨胀水泥由波特兰水泥、高铝水泥和石膏配合而成；S型膨胀水泥则由波特兰水泥、铝酸三钙和石膏配合而成。
1965年到1972年间，日本购买了美国K型膨胀水泥专利，并在此技术基础上，研制成功了硫铝酸钙膨胀剂(Calcium Sulfo-Aluminate，简称CSA)。这种膨胀剂是用石灰石、矾土和石膏配制生料，经电融烧制成的一种含有C4A3S、CaO和CaSO4的熟料，然后将其粉磨成粉状产品，这种产品应用于收缩补偿混凝土和自应力混凝土，取得很大成功。
可见，混凝土膨胀剂是在膨胀水泥基础上发展而来的一种外加剂。日本是世界上最先开发膨胀剂的国家。
1970年，日本小野田公司还成功开发了石灰系膨胀剂，它是用石灰石、石膏和粘土配制成生料，经1400℃左右煅烧成含有40%-50%的游离氧化钙膨胀熟料，再经粉磨制成石灰系膨胀剂。它通过CaO水化生成Ca(OH)2使混凝土产生膨胀，但是由于水化后的稳定性受许多因素影响，Ca(OH)2的胶凝性和防渗性较差，抗硫酸盐侵蚀性能不良，这种膨胀剂并未受到普遍重视。
上世纪90年代后期，美国的P.K.Mehta等为解决大体积混凝土温差裂缝问题，提出了在水泥中掺入5%MgO的设想。他认为，只要MgO煅烧温度控制在(900~950)℃之间，物料粒径控制在(300~1180)μm，MgO所产生的膨胀速率是符合补偿大体积混凝土冷缩要求的。MgO膨胀剂也是膨胀剂中重要的种类之一。
我国从20 世纪70年代开始进行混凝土膨胀剂的研究，中国建筑材料科学研究院研制成功了类似于日本CSA的硫铝酸钙膨胀剂，与日本电融法的区别是，他们采用回转窑烧结法制备CSA熟料，粉磨至比表面积为(2000-3000)cm2/g而制成膨胀剂。
1979年，安徽省建筑科学院在明矾石膨胀水泥基础上研制成功明矾石膨胀剂（EA-L），由不煅烧明矾石与石膏粉磨而成。由于其掺量大、碱含量高，目前已经被淘汰。
1985年后，中国建筑科学研究院研制成功氧化钙—硫铝酸钙型复合膨胀剂（CEA），用含40%~50%的游离氧化钙膨胀熟料，与明矾石和石膏粉磨而成，随后又研制成功用铝酸盐水泥熟料、明矾石和石膏磨制而成的铝酸钙膨胀剂（AEA）以及用特制硫铝酸盐熟料、明矾石和石膏粉磨而成的U型膨胀剂（UEA）。
此后国内各科研单位相继研制出了更多种类的膨胀剂，例如同济大学研制的早强型硫铝酸盐膨胀剂，长江科学院研制出的大坝混凝土膨胀剂，以及山东建筑科学研究院研制的PNC膨胀剂等等。
混凝土膨胀剂的用途十分广泛，主要用在补偿收缩混凝土、填充用膨胀混凝土、灌浆材料和自应力混凝土中，如表8-1。混凝土膨胀剂还常被作为防水剂的原材料，膨胀剂与减水剂、缓凝剂等复配使用可以同时满足混凝土在减水、缓凝和防水、膨胀等方面的技术要求。
我国膨胀剂虽开发较晚，但由于推广应用工作开展得较好，1990年销量达到1.8万吨。随着掺膨胀剂的补偿收缩混凝土结构自防水、超长无缝设计和施工方法以及大体积混凝土裂渗控制三大应用技术的推广，膨胀剂的销量逐年递增，1994年达到18万吨，1998年达到30万吨，2003年达到60万吨，2005年更是达到100万吨，居世界同类产品之首，见图8-1所示。
表8-1 混凝土膨胀剂的适用范围
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用途 |
适用范围 |
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补偿收缩混凝土 |
地下、水中、海水中、隧道等构筑物、大体积混凝土(除大坝外)、配筋路面和板、屋面与厕浴间防水、构件补强、渗漏修补、回填槽等。 |
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填充用膨胀混凝土 |
结构后浇带、隧洞堵漏、钢管与隧道之间的填充等。 |
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灌浆用膨胀砂浆 |
机械设备的底座灌浆、地脚螺栓的固定、梁柱接头、构件补强、加固等。 |
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自应力混凝土 |
仅用于常温下使用的自应力钢筋混凝土压力管、钢筋混凝土船等。 |
图8-1 我国混凝土膨胀剂的年用量递增趋势
目前，混凝土膨胀剂的研究和应用技术随已较成熟，但是如何在保证膨胀剂作用效果的情况下，尽可能地减少膨胀剂组分中的碱含量、改善膨胀剂与减水剂之间的适应性，以及提高混凝土整个生命周期中膨胀产物本身的体积稳定性，仍是需要研究和解决的课题。
