長齡期MgO混凝土自生體積變形與水泥基材料壓蒸膨脹變形的關聯性

陳昌禮,陳榮妃,顏少連,雷 平,李維維

(1.貴州師范大學材料與建筑工程學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省水利科學研究院,貴州 貴陽 550002; 3.貴州師范大學分析測試中心,貴州 貴陽 550001)

迄今為止,外摻氧化鎂(MgO)筑壩技術已在我國水利水電行業的50多個工程獲得應用[1-3],而國外僅有少量齡期1 a左右的室內試驗研究報道,無工程應用案例[4-7]。這些工程外摻MgO量大多采用水泥砂漿壓蒸法確定,少數采用一級配混凝土壓蒸法確定。水泥砂漿壓蒸法采用實際工程使用的砂制作水泥砂漿壓蒸試件(水膠比、膠砂比與混凝土保持一致)[8];一級配混凝土壓蒸法采用實際工程使用的砂和小石,參照實際工程混凝土的配合比制作一級配混凝土壓蒸試件(水膠比、膠砂比同樣與混凝土保持一致)。兩種方法都是以GB/T 750—1992《水泥壓蒸安定性試驗方法》(以下簡稱GB/T 750—1992)為指南,壓蒸環境均采用標準條件(即溫度為(215.7±1.3)℃、對應壓力為(2.0±0.05)MPa、恒壓時間為3 h),但在進行壓蒸試驗時,不是采用GB/T 750—1992中規定的水泥凈漿試件作為壓蒸試件,而是采用水泥砂漿試件或一級配混凝土試件作為壓蒸試件,其目的是科學合理地適當提高MgO的極限摻量。然后,根據壓蒸試驗結果,繪制水泥砂漿或一級配混凝土壓蒸試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻率的變化曲線,以曲線的拐點或壓蒸膨脹率為0.5%時對應的MgO摻量作為混凝土中MgO的極限摻量。廣東省地方標準DB44/T 703—2010《外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術導則》和貴州省地方標準DB52/T 720—2010《全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術規范》中都規定了水泥砂漿壓蒸法和一級配混凝土壓蒸法,二者在攪拌時間、試件尺寸、MgO安定摻量判定標準等方面或相同,或有所差異[9],但試驗原理都是在飽和水蒸氣條件下,讓在常溫下水化緩慢的方鎂石晶體在高溫、高壓環境中很快水化完畢,以便在短時間內確定MgO的極限摻量。

大量的試驗研究和工程實踐表明,按照壓蒸法確定的MgO摻量摻入混凝土后,混凝土將產生延遲性微膨脹,主要的膨脹量發生在1 a齡期內,長期膨脹變形總是趨于穩定,在齡期4～10 a后膨脹變形基本穩定[10-14];外摻MgO混凝土的延遲微膨脹可以補償水工大體積混凝土因溫降產生的體積收縮,從而簡化混凝土的溫控措施,加快施工進度,節省工程投資,降低維護費用[12-14]。同時,工程實踐也表明,外摻MgO混凝土的自生體積變形膨脹量未達到設計期望值,MgO混凝土筑壩技術的優越性未得到充分發揮[13-18]。因此,外摻MgO混凝土的自生體積變形同確定MgO外摻量時采用的水泥砂漿試件和一級配混凝土試件的壓蒸膨脹變形的關聯性如何,引起了科技人員的思考和對推廣應用MgO混凝土的顧慮。目前雖有極少量的短齡期MgO混凝土自生體積變形與壓蒸膨脹變形的相關性報道[19-21],但因MgO混凝土的自生體積膨脹變形的歷時較長,這些研究的說服力仍有欠缺。為此,本文采用壓蒸試驗、自生體積變形觀測、壓汞分析、電鏡掃描、X射線能譜等宏觀、微觀研究手段,對水利水電工程擋水壩常用的三級配粉煤灰混凝土的自生體積變形連續跟蹤研究了6年多,旨在揭示長齡期MgO混凝土的自生體積變形與壓蒸膨脹變形的關聯性,并期望對促進MgO混凝土的推廣應用和深入研究有所幫助。

1 試驗用原材料及混凝土配合比

試驗所用的水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,內含2.47%MgO，標準稠度用水量為27.5%，比表面積為355 m2/kg，安定性合格,質量符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準;試驗所用粉煤灰的細度為15.6%，燒失量為4.12%，需水量比為94.8%,達到DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》規定的F類Ⅱ級灰標準;砂料為貴州某水電站工地的石灰巖人工砂,細度模數為2.45,顆粒級配屬于Ⅱ區,級配良好;粗骨料由工地采用石灰巖破碎成小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)3級,砂石料的品質均滿足DL/T 5144—2001《水工混凝土施工規范》的要求;外加劑為高效減水劑FDN,其品質符合現行國家標準;外摻MgO的化學成分和物理性能如表1所示,符合水工混凝土專用MgO的質量標準。

表1 外摻MgO化學成分和物理性能

試驗所用的混凝土為水利水電工程常用的三級配粉煤灰混凝土,其配合比見表2，MgO摻量按照占膠凝材料(水泥+粉煤灰)總量的百分比計算。通過調節減水劑的用量,使混凝土拌和物的坍落度保持在80～90 mm范圍。

表2 試驗所用三級配混凝土的配合比(w/c=0.55)

2 試驗方法

壓蒸試件的拌和、振搗、成型及試驗數據的分析處理,參照GB/T 750—1992、DB52/T 720—2010進行。成型水泥砂漿和一級配混凝土的壓蒸試件時,采用的原材料與拌制三級配粉煤灰混凝土自生體積變形試件所用的原材料相同,水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量與三級配粉煤灰混凝土保持一致,砂、石以飽和面干狀態為基準,MgO摻量同樣按占膠凝材料總量的百分比計,試驗時取MgO為0、4%、5%、6%、7%、8%。水泥砂漿壓蒸試件不摻外加劑,試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm;一級配混凝土壓蒸試件摻入外加劑,摻量與三級配粉煤灰混凝土相同,試件尺寸為55 mm×55 mm×280 mm。壓蒸試件成型后,首先放置在溫度為(20±2)℃、濕度為(95±2)%的標準養護室中養護72 h,然后脫模,接著放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內靜置1～2 h后,測其初始長度L0;再接著放入沸煮箱中沸煮3 h,待水溫降到室溫后,慢慢取出試件,并繼續放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內靜置(12±3)h,測其長度L1;之后,放入壓蒸釜中壓蒸,壓蒸完畢并待釜內壓力下降至0.1 MPa后排放釜內蒸汽,取出試件,放入70℃的水中,再慢慢加入自來水,使水溫在15 min內降至室溫,接著取出試件放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內靜置(12±3)h,測其長度L2。用L2與L0之差除以試件的有效長度,即為試件的壓蒸膨脹率[22]。

三級配粉煤灰混凝土自生體積變形試件的拌和、振搗、成型、養護、測試等,按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行。混凝土拌和完畢后,分3層裝入用鍍鋅板制作的直徑為200 mm、高度為500 mm的試件桶內(試件桶內壁墊有厚度為2～3 mm的橡皮板),并在每個試件的中部埋設一支差動式電阻應變計。密封后的試件放置在溫度為(20±2)℃的實驗室內。該試件除用于測試混凝土的自生體積變形外,還每隔1年,從試件上鉆取砂漿芯樣,用于壓汞檢測、電鏡掃描及能譜分析。壓汞檢測采用美國Micromeritics儀器公司生產的AutoPore IV 9520型壓汞儀,電鏡掃描及能譜分析采用日本生產的JSM-6490LV掃描電子顯微鏡和英國牛津生產的INCA-350 X射線能譜儀。

圖1 水泥基材料的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

3 試驗成果與分析

摻30%粉煤灰的水泥砂漿和一級配混凝土的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出,兩種試件的壓蒸膨脹率均隨著MgO摻量的增大而增大。當水泥砂漿和一級配混凝土的MgO摻量分別達到6.6%和7.0%時,曲線出現明顯的拐點。針對水泥砂漿和一級配混凝土壓蒸試件,按照曲線拐點和壓蒸膨脹率為0.5%時確定的MgO摻量分別為6.6%、6.9%和7.0%、7.2%。即以一級配混凝土作為壓蒸試件確定的MgO摻量,比水泥砂漿壓蒸試件僅高出0.4%和0.3%。同時,對壓蒸后的試件觀測后發現,當水泥砂漿和一級配混凝土的MgO摻量分別達到7.0%和7.5%時,壓蒸后的試件已出現翹曲,壓蒸安定性明顯不合格。

同時,對MgO摻量為5%、6.5%、7.5%的三級配粉煤灰混凝土自生體積變形試件進行了長達6 a的觀測,其成果見圖2。

圖2 三級配混凝土的自生體積變形隨MgO摻量和齡期的變化

從圖2看出,外摻MgO混凝土的自生體積膨脹變形隨著MgO摻量和齡期的增加而增大,但在MgO摻量超過按照一級配混凝土壓蒸法確定的極限摻量7.2%后,直到6 a齡期時,三級配粉煤灰混凝土的自生體積膨脹變形也沒有出現象水泥基材料壓蒸膨脹變形那樣急劇增大的現象(即無拐點)。

圖3 混凝土的平均孔徑隨齡期的變化

圖4 混凝土中大于100 nm孔徑隨齡期的變化

圖3和圖4為連續6 a的壓汞檢測結果。從圖3、圖4可見,隨著齡期和MgO摻量的增長,外摻MgO混凝土的平均孔徑、有害孔(孔徑為100～200 nm)和多害孔(孔徑大于200 nm)[23]逐年下降,說明混凝土的微觀結構越來越好。在齡期6 a時,對MgO外摻量為7.5%的CL46號混凝土的鉆孔芯樣進行了電鏡掃描觀測和X射線能譜分析(圖5、圖6),同樣沒有發現因MgO的水化產物膨脹引起的混凝土微細裂紋。

圖5 齡期6 a的CL46混凝土芯樣電鏡掃描結果

圖6 齡期6 a的CL46混凝土芯樣X射線能譜

產生以上現象,可能主要是以下兩方面的原因造成的：一方面,壓蒸試驗使MgO在高溫高壓環境中發生快速水化膨脹反應的同時,破壞了水泥砂漿試件和一級配混凝土試件的結構,削弱了水泥石和水泥石與骨料膠結界面的強度,降低了約束試件膨脹的黏結力,夸大了MgO自身的膨脹量,即當MgO摻量超過一定值后出現的壓蒸試件翹曲現象,不完全是由于MgO自身的膨脹造成,還有高溫高壓環境造成的試件內部顆粒之間的黏結力下降引起的試件“體積疏松”。另一方面,水泥砂漿和一級配混凝土壓蒸試件雖比GB/T 750—1992規定的水泥凈漿壓蒸試件更接近混凝土,但都未完全包含混凝土中占比最大的粗骨料,所以MgO在水泥砂漿和一級配混凝土壓蒸試件中分布的均勻性比混凝土強。此外,由于外摻MgO混凝土的膨脹,實質上是外摻MgO水泥漿體結石的膨脹,骨料本身不會因外摻MgO而膨脹,因此水泥砂漿和一級配混凝土試件對外摻MgO引起的膨脹變形的敏感性比混凝土高。更關鍵是,水泥砂漿和一級配混凝土試件單位體積內的MgO含量比混凝土多,造成外摻MgO的水泥砂漿和一級配混凝土的壓蒸膨脹變形偏大,即未能反映外摻MgO混凝土膨脹變形的真實情況。

4 結 論

長達6年的試驗研究表明,雖然長齡期外摻MgO混凝土的自生體積膨脹變形隨著MgO摻量和齡期的增加而增大,但并沒有出現象水泥基材料壓蒸膨脹變形那樣急劇增大的現象,且在MgO外摻量達到7.5%時,雖然壓蒸后的試件已明顯翹曲,但6 a齡期MgO混凝土的微觀結構仍然良好,即混凝土的自生體積膨脹變形與水泥砂漿、一級配混凝土的壓蒸膨脹變形沒有關聯性或對應性。換言之,現行以水泥砂漿試件或一級配混凝土試件的壓蒸膨脹變形曲線拐點或以壓蒸膨脹率為0.5%確定的壩體混凝土的MgO極限摻量,雖能夠保障混凝土大壩安全運行,但它們未能反映外摻MgO混凝土膨脹變形的實際情況。因此,現行的確定水工混凝土中MgO極限摻量的水泥砂漿壓蒸法和一級配混凝土壓蒸法需要進一步研究和創新。

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