外掺氧化镁混凝土的变形特性研究.pdf
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1、第 4 2卷 第 4期 2 0 1 1年 2月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 4 F e b, 2 01 1 文 章 编 号 : 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 1 ) 0 40 0 8 80 3 外掺氧化镁混凝土的变形特性研究 陈 霞 , 杨 华 全 , 李 家 正 ( 1 长 江科学院 材 料与结构研究所 , 湖北 武 汉 4 3 0 0 1 0 ; 2 武汉大学 土木建筑工程 学院 , 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要 : 在混凝土 中掺氧化锓可提 高混凝土抗裂性。试验研究 了外掺氧化镁混凝土的弹性模量、 极 限
2、拉伸值、 干 缩率、 自生体积 变形等 变形性能, 并探讨分析 了氧化镁 对混凝土 变形性能的影 响机理。试验 结果表明 , 外掺氧 化镁的混凝土弹性模量与未掺的基本相当, 极 限拉伸值和干缩率小幅 降低 , 自生体积变形从 收缩转为微膨胀 。 总的来说 , 掺入氧化镁可以在一定程度土改善 混凝土的 变形特性 , 有利于提 高混凝土的抗 裂能力。 关键词 : 氧化镁 ;变形性能 ; 混凝土抗裂;机理分析 中 图 法分 类 号 :T V 4 3 1 文 献 标 志码 :A 外 掺氧化镁混 凝土筑 坝技术就 是利用 外掺氧化 镁 在水泥水 化过程 中 的变形 特性 , 使 混凝 土产 生延 迟性
3、“ 微 膨胀 ” 变形 , 在 约 束 条件 下 产 生预 压 应 力 , 部 分 补 偿 或抵 消大体积混 凝 土 由于 温 降收缩 产 生 的拉 应力 , 从 而提高 混凝土抗 裂能力 。 鉴于外 掺氧化镁 混凝 土筑坝技术 的显著优 势和广 阔应用前 景 , 有关科 技人 员 从 多方 面开 展 了外 掺 氧化 镁 混凝土性 能的研究 工作 。李 承木等人 侧重 于观测氧 化镁 混凝 土 自生 体 积变 形 的长 龄期 试 验 结果 , 结 果表明, 经过长达 1 0 a 及 2 0 a的水化, 氧化镁混凝土 的长期变形 曲线趋 于收敛 , 变形 过程 中未产 生 回缩 或 急剧膨 胀
4、现象 。 陈 昌礼 针 对 氧化 镁 混 凝 土 的膨 胀 特 性 , 提出 了氧化镁 混凝 土 自生 体 积变 形 的反 正切 曲线 模 型 , 并 以 此 推 算 氧 化 镁 混 凝 土 的 长 期 膨 胀 变 形 值 。朱伯 芳 院士 结合工程 实际 , 考 察 了氧化 镁含量 、 混 凝土温度 、 室 内外 差 别 等对 自生 体 积 变形 的影 响 。 。 。 上述研究多集中于氧化镁混凝土的 自生体积变形, 而 对其他变 形性能关 注不足 , 因此 , 本 文通过试 验研究 了 氧化镁混凝 土的 弹性模 量 、 极 限拉 伸 值 、 干缩 、 自生体 积变形等 变形特性 , 旨在帮
5、助工 程 人员 全 面 了解 氧化 镁 混凝土 的变形特性 。 1 试验原材料及配合比 1 1 原 材 料 试验 采用 的主要 原材 料 为峨 眉 山低镁 4 2 5中热 硅 酸盐水 泥 、 贵州 宣威 电厂 I级 粉煤 灰 及江 苏博 特 沸 腾窑生产的轻烧氧化镁。水泥和粉煤灰的物理性质和 化学 成分 分别 见表 1 、 表 2 、 表 3 , 氧 化镁 的 活性指 数 为 2 1 0 s , 细度 为 6 ( 8 0 m筛 ) 。外 加 剂有 缓凝 高 效减 水剂 Z B1 A和 引气剂 A I R 2 0 2 , 其检 测 结果 均满 足要 求。细骨料采用溪洛渡灰岩人工砂 , 细度模数为
6、2 7 6 , 属于中砂 ; 粗骨料采 用溪 洛渡玄武岩碎石 , 符合 D L T 5 1 4 42 0 0 1 水 工混凝 土施 工规 范 对粗 骨料 的技 术 要求 。 表 1 水泥的物理力学性能指标 比 表面 积 l l J 凝 结时 间 ( h : m i n ) 水 化 热 ( k J k g ) 抗 折 强度 M P 目抗压 强 度 M P a g弼 , ( m k g 一 ) 初 凝 终 凝 3 d 7 d 3 d 7 d 2 8 d 3 d 7 d 2 8 d 2 9 7 2 3 3 :0 6 4 : 0 8 2 0 1 2 5 1 4 3 5 6 8 1 1 8 4 2 5
7、0 4 2 5 中热( 低镶) 1 2 配 合 比 按 照 D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 水 工 混凝 土试 验 规程 进 收稿 日期 : 2 0 1 00 90 3 基金项 目: 国家 自然科学基金 重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ; 公 益性行业科研专项资金项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ( Y WF 0 9 0 7 ) 作者简介 : 陈 霞, 女 , 博 士, 主要从事建筑材料 的研究工作。E ma i l : c h e n x i a m a i l c r s r i e t l 第4期 陈 霞, 等 : 外掺 氧化镁 混凝 土的变
8、形特性研 究 8 9 行试 验 , 试 验时 控制坍 落度 4 06 0 m m, 调 整 引气 剂掺 量 以使 混凝 土 含 气 量 达 到 4 5 5 5 。每 方 混 凝 土材料 用量 ( 单 位 k g m ) 见 表 4, 其 中 闸 墩 z区 三级 配骨料 配合 比为 大石 - 中石 : 小 石 =5 0 : 2 0 : 3 0 ; 大 坝 A 区 四级 配骨料 配合 比为 特大 石: 大 石: 中石: 小石 = 3 0 : 2 0 : 2 5 : 2 5 。考虑 氧化 镁 的 3个 膨胀 控 制 指 标 ( 即膨 胀 起 始时 间 、 膨 胀量 和膨 胀结 束时 间 ) 及 强
9、度设 计 要求 , 选 择 6 的氧化镁 掺量 进行 对 比试 验 。 表 2粉 煤 灰 的 物 理 力 学 性 能 指标 细度 需水量E 比表面积 烧失量含水 量S O 3 密度 抗压强度 ( 4 5 m筛) ( m k g 一 ) ( g c m。)3 d 7 d 2 8 d 2 试验结果 与讨论 2 1 弹性模量 本 次试验 混凝 土 的弹性模 量试 验结果 见 表 5 。 表 5 掺 氧 化 镁 混 凝 土 抗 拉 弹 性 模 量 编 号 。 由表 5可 知 , 9 0 d龄 期 内混 凝 土 的抗 拉 弹 模 增 长 很快 , 1 8 0 d龄 期 之 后 均趋 于稳 定 。在 整
10、个 测 试 龄期 内 , 外 掺 6 氧化镁 对混凝 土 的 弹性模 量 影 响 甚微 , 氧 化镁 混凝 土与基 准混凝 土抗 拉弹 模基 本相 当 。升 温养 护有 利于提 高 氧化镁混 凝 土的 弹性模 量 。 2 2极限拉伸 变形 大坝 A区和 闸 墩 z区混 凝 土 极 限拉 伸 变 形 试 验 结果 见 图 1 。 由 图 l可知 , 混凝 土 的极 限拉 伸值 在 2 8 d内均增 长很 快 , 2 8 d龄 期时 各 混凝 土 的极 限 拉伸 值 变 化 范 围 为 51 0 。1 8 0 d龄期后 各混 凝土 的极 限拉伸值 基 本趋 于稳定 , 保 持微 增 长 。与 1
11、8 O d龄期 相 比 , 经 过 1 a 水化 龄期 的混 凝土极 限拉 伸值 均增 长缓慢 , 掺人 6 氧化镁 后混 凝土极 限拉 伸值 略有 降低 。锦屏水 电站施 工 中 为 使 混 凝 土 具 有 微 膨 胀 性 , 也 掺 人 了 一 定 量 的 Mg O, 但是 是 超 量 取 代 ; Mg O掺 量 为 3 , 4 时 , 混 凝 土 的极 限拉 伸值分 别增 长 了 4 x 1 0 , 9 X 1 0 。 龄期 d ( a)大坝 区 图 1 混 凝土 的极 限拉 伸 值 2 3 干 缩 变 形 不 同氧 化镁掺 量 时混凝 土 的干 缩率 见 图 2 。 由图 可 知 ,
12、氧化镁 对 混 凝 土 早 期 干 缩 影 响 甚 微 , 9 0 d龄 期 后 氧化镁 混凝 土 的干缩率 略小 于不掺 氧化镁 的基 准混 凝 土 。经 过 1 a水 化 龄期 , 掺 入 6 氧 化镁 后 , A 区混 凝 土 的干 缩 率 减小 3 41 0, 闸墩 z区混 凝 土 干缩 率减小 3 21 0。外掺氧化镁混凝土的干缩率 比普 通 混凝 土要小 l 5 2 2 E 8 。大量 试验 研 究 还表 明 , 掺粉 煤灰 同时 掺氧 化镁 能 显 著 减小 干 缩 , 对 于 混凝 土 抗裂 有利 。 2 4 自生体积变形 0 6 掺量 时混 凝 土 的 自生 体 积 变形 见
13、 图 3 。外 掺 6 氧 化镁 时 , A区 和 z区 混凝 土 的 体 积变 形 均 从 收缩 转为 微膨 胀 ; 9 0 d水 化 龄 期 内 , 不 掺 氧 化 镁 混 凝 土 的 自生 体积 变形 减缩 速 率 较快 , 最 大 减 缩 变形 分 别 为 1 2 4 X 1 0 和 1 4 9 7 X 1 0; 氧 化 镁 混凝 土在 9 0 d 水化 龄期 内基本呈 线性 膨胀 , 之后 膨胀 速率放 缓 , 但 在 整个测 试 龄期 内混凝 土 仍 继续 保 持 膨胀 增 长 趋 势 ; 氧 如 m 帅 加 一 。 。 ) 晕 噬 一 _0 1 )旱 晕 9 0 人 民 长 江
14、2 0 1 1正 化镁混凝 土 的后期 膨胀还有 待进 一步继续 观测 。 龄期 d 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 f 0 一 错 姆 一 2 0 0 3 0 0 4 0 0 1 0 0 宝一 2 0 0 I3 。 。 姆 一4 0 0 - 5 0 0 图 2 Mg O混凝 土的 干 缩 变 形 2 。,一 趣 : 图 3 Mg O混 凝 土 的 自 生体 积 变 形 2 5机 理 分 析 氧化镁 水化产 生 体积 膨胀 , 存 在 一个 有 效膨 胀 能 的概念 , 即一 部 分膨 胀 能 被 强 度 吸 收 , 一 部分 膨 胀 能用于调 整水泥石 孔结 构 , 一
15、部分 膨胀 能 用 于补偿 混 凝 土 的收缩 , 最后还 有一 部 分膨 胀 能 以混 凝土 体 积膨 胀 的形式表现 出来 , 也 只有这 最 后一 种 膨胀 能 才是 氧 化 镁混凝土 的有效膨 胀 能。文 献 1 O 表 明 , 在 水 泥石 与 骨料界 面区 , 晶体 的排 列具 有 很 强 的取 向性 且孔 洞 较 多 , 这对混凝 土 的界 面粘 结将 产 生不 利 影 响。对 于 氧化镁 混凝 土 , 由于水 泥 石与 骨 料界 面 区 的水灰 比相 对较 大 , 更有利 于方镁石 的缓慢水 化 , 随着 水化程度 的 深入 , 越来 越多 的水 镁 石 晶体 在 界 面 区定
16、 向排 列 。 所 以水镁 石 晶体 的生长发 育会在一 定程度 上填充部 分 孑 L 隙 , 改善 混凝土 结构密实 度 , 有利 于弹性模 量和强度 的增 长 、 减 小 干缩 ; 但 由于界面 区中晶体 高度定 向生 长 且 尺寸大 , 易使界 面破坏 发生在 晶体 内部 , 会 加剧界 面 区的 晶体取 向排列 程 度 , 使 混 凝 土在 承受 外 部拉 应力 时易破坏 , 故掺氧化镁后混凝土极限拉伸值略有降低。 3结 论 ( 1 )外掺 6 氧化镁对混凝土的弹性模量影响不 大 。 ( 2 )混 凝土 的极 限 拉伸 值 在 2 8 d龄 期 内增 长较 快 , 外掺 6 氧化 镁可
17、小 幅降低混 凝土 1 a龄期 的极 限 拉伸值 。外 掺 氧 化镁 对 混 凝 土 的 早期 干缩 率影 响甚 微 , 但经过 1 a水化龄期, 掺氧化镁混凝土的干缩率小 于未掺 的混凝 土 。 ( 3 )不掺 氧化镁 时 , 混凝 土 的 自生 体 积变 形均 表 现为 收缩状态 , 最大 收 缩 率 出现 在 9 0 d左 右 ; 外 掺 氧 化 镁后 , 混凝 土体积变形 由收缩 状转变 为微膨胀 , 掺入 6 氧化镁 后 , A区 和 z区混凝 土 的 9 0 d龄 期 自生 体 积 变形分 别增长 了 3 8 4 X 1 0 。和 2 2 9 X 1 0 。 参考 文献 : 1 杨
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- 氧化镁 混凝土 变形 特性 研究
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