外掺轻烧氧化镁混凝土的长龄期自生体积变形研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1 2期 (总 第3 0 2 期 ) Nu mb e r 1 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 3 0 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATE RIAL AND ADM I NI CLE 外掺轻烧氧化镁混凝土的长龄期 自生体积变形研究 周世华 1 l 2 ，苏杰 ，杨华全 1 I2 ，彭尚仕 1 , 2 ( 1 长江水利委员会 长汀科学院，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ；2 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 4 4 3 0 0 0 ) 摘要： 氧化镁具有延迟性膨胀特性 已被工程界所认识并应用于补偿大体积混凝土的温降收缩 ， 因此 ， 保证氧化镁混凝土的长龄 期体积稳定性是非常重要的。 主要研究了外掺轻烧氧化镁混凝土 自生体积变形的长期发展规律。 研究结果表明， 混凝土中轻烧氧 化镁的膨胀开始时间在 l - 3 d 左右， 终止时间随粉煤灰掺量的增加而延长； 混凝土强度对氧化镁的膨胀变形起到了约束作用， 水胶 比越小 ， 外掺氧化镁混凝土的后期体积膨胀变形越小； 粉煤灰对混凝土中氧化镁 的膨胀作用具有抑制效果 ， 从长期发展规律来看， 外 掺轻烧氧化镁混凝土可通过调整粉煤灰掺量和氧化镁掺量来控制膨胀速率与膨胀量， 以保证其长龄期体积稳定性。 关键词： 轻烧氧化镁；自生体积变形 ；长龄期 ；大体积混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 7 3 0 3 St u d y o n t h e l o n g- t e r m a u t o g e n o u s v ol u m e d e f o r m a t i on o f c o n c r e t e a d m i x e d w i t h l i gh t - b u r n e d ma gn e s i a ZHOUSh i hu a1 ,2 SUJ i e ， YANGHu a qu a n 一， P ENG S ha n gs h i ( 1 C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 2 Co l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n Ce n t e r f o r Ge o Ha z a r d s a n d E c o E n v i r o n me n t i n T h r e e Go r g e s A r e a ， Yi c h a n g 4 4 3 0 0 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ma g n e s i u m o x i d e wi t h d e l a y e d e x pa ns i o n h a s be e n k no wn b y i n e n gi n e e r i ng c i r c l e s a nd c a n b e us e d for c o mp e n s a t i ng ma s s c on c r e t e s d n ka g e for t e mpe r a t u r e f a l l a n d i mp r o v e the c r a c k r e s i s t a n c e of c on c r e t e i t s e l f Th e l o n g t e r m d e v e l o p me nt l a w of a ut o g e n o us v o l u me d e f 3 r ma t i o n o f c o n c r e t e a d mi x e d wi t h l i gh t b u m e d ma gn e s i a wa s s tudi e d Th e r e s ul t s s h ow t h a t the i n i t i a l e x pa n d i ng t i me o f the l i gh t b u r n e d ma gn e s i a i n c o n c r e t e i s a b o u t 1 - 3 d， a n d the s t a bi l i z a t i o n e x pan d i n g t i me e x t e n d a l o n g wi t h the i n c r e a s e o f fl y a s h c o n t e n t Th e s 仃e n 11 o f c o n c r e t e h a s a c o n s a i n t e f f e c t o n e x pa ns i o n d e f o rm a t i o n Th e W C r a t i o i s s ma l l e r， t h e e x p a n d i ng d e f or mati o n a t l a t e r a g e s i s s m a l l e r F r o m th e l o n g t e r m d e v e l o p m e n t l a w o f v o l u me d e f o r mat i o n ， th e c o n c r e t e a d mi x e d w i t h l i g h t b u r n e d ma gne s i a c o u l d b e a d j u s t e d b y t h e ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t a n d t h e n y a s h c o n t e n t t o c o n t r o l t h e e x p a n s i o n r a t e a n d the e x p a n s i o n c a p a c i t y K e y wo r d s ： l i ght -b u r n e d m a g n e s i a ； t h e a u t o g e n o u s v o l u me d e f o r mm i o n ； l o n g -t e rm ； ma s s c o n c r e t e m 0 引言 大体积混凝土硬化以后 ， 因体积收缩极易产生裂缝。 利 用膨胀组分 ( 硫铝酸盐 、 游离氧化钙 、 游离氧化镁等 ) 在水化 过程汇总产生体积膨胀补偿混凝土的收缩是防止收缩开裂 的有效措施_ 1_ 。 氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术就是利用氧化 镁的延迟性膨胀特性来补偿 大体积混凝土降温时的体积收 缩 ， 以调节控制大体积混凝土的体积变形 ， 达到防裂的目的 。 从化学成分来看 ， 水泥混凝 土的膨胀源主要包括氧化 钙 、 氧化镁或硫铝酸钙 。 研究发现口 ， 氧化钙 、 硫铝 酸钙 系 膨胀剂的膨胀主要发生在 1 d 龄期内 ， 而大体积混凝土 内部 通常在 5 d 龄期后开始才缓慢降温 ， 膨胀 和降温不 同步 ， 补 偿收缩效果不 佳。 井树力生认为 ， 适用于大坝大体积混凝 土的理 想膨胀性 掺合料的膨胀变形应该 比一般膨胀性掺 和料发生得迟 。 1 9 8 0年， Me h t a t 噌 设想煅烧方镁石作膨 胀剂 ， 以解决： 犬 体积混凝土 南于温降而引起体积收缩 问题 。 基于这个 思路 ， 白2 0世 纪 8 0年代开 始 ， 氧化镁微膨胀 混 凝土研究逐步受到重视 。 氧化镁 的膨胀特性首 次引起人们 的关 注是 由于水 泥 中过高含量 的氧化镁水化产生过大 的膨胀而引起混凝 土 破坏8 1 。 利用氧化镁水化 所释放 的膨胀 能来解 决大 坝温控 问题9 - ， 打破 了人们 的传统认识 ， 关 键是掌握其规律性 ， 兴利除弊 。 从 目前应用情况来看 ， 氧化镁 主要应用 于中小 型工程 ， 制约氧化镁 大规模应用的因素之一是氧化镁混凝 土的长龄期体积稳定性 。 本试验结合实际工程科研阶段混 凝土配合 比， 开展了外掺轻烧氧化镁混凝土的长龄期体积 稳定性研究 ， 探究了提高外掺轻烧 氧化镁混凝 土体积稳定 性 的控制方法。 1 原材料 与试验 方法 1 1 原材料 试验采用 了四川峨眉 山水泥有限公司生产 的 4 2 5级 收稿 日期 ： 2 0 1 4 _ 0 6 1 8 基 金项 目 ：国家 自然科学基金( 5 1 2 7 9 0 1 7 、 5 1 l 3 9 0 0 1 ) ； “ 十二五” 科技支撑( 2 0 1 1 B AE 2 7 B0 1 ) 7 3 中热硅酸盐水 泥 、 国电云南宣威 电厂生产 的 I 级 粉煤灰 、 浙江龙游五强混凝土外加剂有限公司生产 的萘系高效减 水剂 Z B 一 1 A、 上海麦斯特建成公司生产的 A I R 2 0 2引气剂 ， 其 中水泥与粉煤灰 的化学成分分析结果 见表 1 。 以上原材 料的品质均满足相关国家标准规范的技术要求 。 表 1 原材料的化学成分 采用江苏博特新材料有限公司生产的轻烧氧化镁进 行试验研究 ， 轻烧氧化镁 的化学成分见表 l ， 其 品质检测指 标见表 2 。 表 2轻烧氧化镁的品质 刊 密度8 0 x m筛余 4 5x m筛余 比表面积 活性指标 酋 ( c I n 3 ) 0 0 ( m2 k g ) 3 0C s 沸腾窑 3 4 3 9 _4 3 2 8 2 6 7 2 1 0 试验采用 的细骨料 为灰岩人工砂 ， 细度模数 为 2 7 6 ， 石粉含 量 1 0 3 ， 级配 良好 ； 粗 骨料为 玄武岩人 工碎 石 。 品 质检 测 结 果 见表 3 。 试 验用 粗 细 骨 料 的 品质 均 符 合 D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 ( 水工混凝土施工规范 的技术要求。 表 3 粗骨料的品质 1 2试验 方 法 根据 D L T 5 2 9 6 - - - 2 0 1 3 ( 水工混凝土掺用氧化镁技术规 范 ， 氧化镁的掺入方法采用内掺法。 试验依据 D L T 5 3 3 0 2 0 0 5 ( 水工混凝土配合 比设计规程 ， 进行二级配混凝土配合 比设计 ， 试验配合比见表 4 。 混凝土拌合物性能 、 自 生体积变形 均按照 D L T 5 1 5 0 - - 2 0 0 1 ( 水工 昆 凝土试验规程 进行测试。 表 4 混凝土试验配合比 2 试验 结果及分析 2 1 粉煤灰掺量的影响 水泥混凝土 中氧化镁产 生膨胀 的根本 原因是 氧化镁 的水化 ， 计算分析表 明 ， 氧化镁水化是产物 固相体 积增 大 了 1 1 8 。 但影响混凝土中氧化镁膨胀性能的因素众多 ， 同 相体积增大不能完全反映到混凝土 的体积变形 。 外掺 6 轻烧氧化镁 的条件下 ， 粉煤灰掺量对混凝土 自生体积变形 的影 响见 1 。 从长期发展规律来看 ， 养护 1 2 0 0 d龄期后 术掺粉煤灰混凝土的 自生体积变形持续保持微膨胀趋势 ， 朱达到膨胀收敛状态 ； 粉煤灰掺量对外掺轻烧氧化镁混凝 土长期体积稳定性有重要影响 ， 随粉煤灰掺量增加 ， 混凝 土 白生体积变形达到膨胀收敛 的时间越 短 ， 粉煤灰掺量分 别为 2 0 、 3 5 、 5 0 时 ， 混凝土体积变形趋于稳定的龄期大 约分别为 9 0 0 、 6 0 0 、 3 6 5 d o 从膨胀量的角度来看 ， 粉煤灰掺 量越高 ， 混凝土 自生体积变形的膨胀量越低 。 可见 ， 粉煤灰 7 4 宝 砼 乜 0 lU U 200 jUU 400 00 6U0 ， UU 8 UU 90U l UU U 1 l 00 l 2U U 龄期 ， d 图 1 粉煤灰掺量对外掺氧化镁混凝土长期 自生体积变形的影响 对混凝土 中氧化镁 的膨胀具有抑制作用。 氧化镁水化产生膨胀的机理存在多种解释 ， 其 中晶体 生长压理论和吸水肿胀理论是两种典型的理论 。 有学者分 析认 为氧化镁早 期产生的膨胀 主要由晶体尺寸较小的氢 氧化镁 吸水产 生肿胀 引起 ， 随着氢氧化镁品体的生长 ， 结 晶压变为膨胀的主要驱动力。 C h a t t e r j i 认为氧化镁水化时 ， 在氧化镁颗粒表面形成以 Mg 2 _ 与 O H 一 为主要组分 的过饱 0 和溶 液 ， 过饱 和溶液 中氢 氧化 镁结 晶并 生 长 ， 产 生 结 晶 压， 从而导致膨胀。 掺入粉煤灰后， 一方面降低了氧化镁的 掺入量 ， 另一方 面降低 了孔隙溶液中碱度 ， 使得 O H一 浓度 降低 ， Mg z + 过饱 和度增加 ， Mg 会从颗粒表面 向附近 区域 迁移扩散 ， 使得氢氧化镁 晶体生长较为分散 ， 膨胀量减小 。 2 2水 胶 比 的影 响 氧化镁水化产生 的膨胀变形最终反映到混凝土的体积 变形， 这个过程会受到混凝土 自 身约束作用与孔隙松弛作用 的影响， 如混凝土的强度 、 内部孔隙率等 。 水胶 比是混凝土配 合 比中的一个重要参数 ， 其对外掺 6 氧化镁混凝土长期体 积稳定性 的影响见图 2 所示 。 试验结果发现 ， 随着水胶 比的 增大， 混凝土 白 生体积产生的膨胀变形也较大 ， 养护 9 0 0 d 龄 期后， 不同水胶比混凝土 自生体积变形均达到膨胀收敛状态。 0 l UU 200 jUU 400 5UU OU0 U0 O0 9UU l UU0 I l OU l 2O0 龄期 ， d 图2水胶 比对外掺氧化镁混凝土长期 自生体积变形的影响 水胶 比对外掺氧化镁混凝 土 自生体积变形 的影响主 要包括二个方面 ： 一方 面， 水胶 比越小 ， ? 昆凝土胶凝材料用 量就高 ， 使得氧化镁掺人量也越 高 ， 这 意味着 混凝土产生 体 积膨胀变形的源头更大 ； 但另一方 面， 水胶 比越小 ， 混凝 土强度 、 密实性： 越高 ， 内部孑 L 隙越小 ， 这对氧化镁 的膨胀变 形起到 了约束作用 ， 加上粉煤灰 的二次水 化反应 ， 进一步 限制 了氧化镁 的膨胀变形 。 由此 可见 ， 混凝土强度对氧化 镁变形起到约束作用。 2 3 轻烧氧化镁掺量 的影 响 体积安定性是氧化镁混凝土 的重要指标 。 若 混凝土 中 氧化镁水化产生过度膨胀 ， 则可能引起混凝土的体积安定 性不 良。 在 I 级 粉煤灰掺量 为 3 5 的前提下 ， 轻烧氧化镁 掺量对混凝土长期体积稳定性 的影 响见 图 3 。 从 图中可 以 看出， 未掺氧化镁混凝土的自生体积变形在养护 2 0 0 d 龄期 后趋于稳定 ， 掺人氧化镁后 ， 混凝 土 自生体积变形 的膨胀 收敛龄期 明显延后 ， 在氧化镁掺量不超过 7 时 ， 混凝土 自 生体积变形在养护 9 0 0 d 龄期后趋于稳定。 外掺氧化镁混凝土膨胀性能的关注重点包括膨胀开 呈 、 蛏 皿 0 l 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 01 1 O O1 2 0 0 龄 期 d 图 3轻烧氧化镁掺量对混凝土长期 自生体积变形的影响 始时间及终 止时间 、 膨胀速率和膨胀量几个方面 。 试验结 果表明 ， ? 昆 凝 土中轻烧氧化镁 的膨胀开始时间在 1 3 d左 右 ， 但终止时间随粉煤灰掺量 的增加而延长 ； 外掺氧化镁 混凝 土的 1 4 d龄期 膨胀 速率 随氧化 镁掺量 与粉 煤灰掺 量不 同在 O 4 0 x 1 0 一 0 6 0 x 1 0 6 d范 围内波动 ； 外 掺氧化镁 混凝土 的膨胀量受氧化镁掺量 、 粉煤灰掺量的影 响较大 。 3结论 ( 1 ) 混凝土 中轻烧氧化镁 的膨胀开始时间在 1 3 d左 右 ， 终止 时间随粉煤灰掺量 的增加 而延 长 ； 从 长期发展规 律来看 ， 未掺粉煤灰时 ， 外掺 6 轻烧 氧化镁混凝土在养护 1 2 0 0 d 后 ， 自生体积变形依 旧保持继续膨胀趋势。 ( 2 ) 混凝土强度对氧化镁 的膨胀变形起到了约束作用 ， 水胶 比越小 ， 混凝土越 高 ， 外掺氧化镁 混凝土的后期体积 膨胀变形越小。 ( 3 ) 粉煤灰对混凝土中氧化镁 的膨胀 具有抑制作用 ， 一 方面降低 了氧化镁 的掺入量 ， 另一方面降低了孑 L 隙溶液 中碱度 ， 使得 O H _ 、浓度 降低 ， Mg 过饱和度增加 ， Mg 会从 颗粒表面向附近 区域迁移扩散 ， 使得氢氧化镁晶体 生长较 为分散 ， 膨胀量减小 。 ( 4 ) 在氧化镁掺量 7 以下 、 粉煤灰掺量 2 0 以上的条 件下 ， 混凝土 白生体积变形在 1 2 0 0 d 龄期后处于稳定状态。 参考文献 ： 【 1 】莫立武 ， 邓敏 氧化镁膨胀剂的研究现状【 J l _ 膨胀剂与膨胀混凝 土， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 2 - 9 2 李承木 ， 李万军 论氧化镁膨胀材料的品质质量及膨胀性能l J 1 水电站设计， 2 0 0 5 ， 2 1 ( 3 ) ： 9 5 9 9 3 ME HT A P K， P I R T Z D， KOMAND AN T G J Ma g n e s i u m o x i d e a d d i t i v e f o r p r o d u c i n g s e l f - s t r e s s i n ma s s c o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h I n t e r na t i o n a l Co n g r e s s o n t h e Ch e mi s t r y o f Ce me n t ， Pa r i s， F r a n c e， 1 9 8 0 【 4 R EHS I S S ， C ARG S K L o n g t e r m s t u d y o n s t a b i l i t y o f h i g h ma g n e s i a c e me n t c o n t a i n i n g f l y a s h J D u r a b i l i t y o f B u i l d i n g ma t e r i a l s ， 1 9 8 5 ( 2 ) ： 2 6 5 2 7 3 5 N A G A T A K I s ， G O MI H E x p a n s i v e a d m i x t u r e s ( m a i n l y e t t r i n g i t e ) J Ce me n t a n d Co n c r e t e Co mp o s i t e s， 1 9 98， 2 0 6 】曹泽生 Mg O微膨胀混凝土快速筑坝防裂技术研究l J 1 水力发电 ， 1 9 9 4 ( 6 ) ： 5 2 5 4 7 】吴来峰 ， 张津生 WD I I I 型抗裂水泥大体积混凝土工程整体设计、 快速施工 C 2 0 0 2 年水工专委会学术交流会议学术论文集 ， 2 0 02 8 MEH T A P KHi s t o r y a n d s t a t u s o f p e rfo r ma n c e t e s t s f o r e v a l u a t i n n o f s o u n d n e s s o f c e me n t s R C e me n t s t a n d a r d s - E v o l u t i o n a n d T r e n d s ， AS TM S TP 6 63， Ame r i c a n S o c i e t y f o r Te s t i ng a n d Ma t e r i a l s， 1 9 7 8 9 】李承木氧化镁混凝土自生体积变形的长期试验研究成果l J 1 水 力发电学报 ， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 1 4 2 3 【 1 O 】 李承木， 杨元慧 氧化镁混凝土自生体积变形的长期观测结果【 J 1 水利学报 ， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 5 5 5 9 作者 简 介 联 系地 址 联系电话 周世华( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 硕士 ， 高级工程师 ， 主要从事水工 材料研究工作。 湖北省武汉市黄浦大街 2 6 9号 长江水利委员会长江 科学院( 4 3 0 0 1 O ) 02 7 8 2 9 2 63 4 7 75 【 划 皿 如 如 加 m 0 m