水工混凝土中氧化鎂極限摻量的研究

陳榮妃，陳昌禮

(貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025)

目前用于確定混凝土中MgO極限摻量的壓蒸試件有：25mm×25mm×280mm的水泥凈漿和砂漿，30mm×30mm×280mm的砂漿，55mm×55mm×280mm的一級配混凝土[1]。無論試件尺寸多大，判定安定性的依據主要以壓蒸膨脹率不超過0.5%作為標準，或以壓蒸膨脹率隨MgO摻量變化的曲線拐點所對應的MgO摻量作為混凝土中MgO的安定摻量。文獻2、3對不同尺寸的水泥凈漿和水泥砂漿進行了壓蒸試驗，試驗表明試件尺寸對壓蒸膨脹率有明顯的影響。文獻4進行了水泥凈漿、水泥砂漿、一級配混凝土和“模擬砂漿”的MgO極限摻量研究，得到采用“模擬砂漿”方法確定的MgO極限摻量均比另外三種水泥基材料的高。本文著重研究不同的“砂漿模擬”，擬通過壓蒸試驗和吸水試驗，測定不同尺寸、不同外摻MgO量的水泥砂漿和“砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹率和孔隙特性參數，揭示試件尺寸對外摻MgO水泥基材料壓蒸膨脹變形的影響及其成因，為提高水工混凝土的MgO極限摻量探索一種新的途徑。

1 試驗用原材料

試驗所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為301m2/kg，標準稠度用水量為26.5%，安定性合格，質量符合GB 175- 2007《通用硅酸鹽水泥》標準；氧化鎂的密度為3.34g/cm3，細度為200目，活性指標為251s；骨料為某水電站工地的石灰巖人工砂，表觀密度為2.715g/cm3，飽和面干吸水率為2.31%，石粉含量為25.83%，細度模數為2.43(屬于中砂)，顆粒級配屬于Ⅱ區，級配良好；外加劑為FDN-OR緩凝高效減水劑，其品質符合DL/T 5100- 1999《水工混凝土外加劑技術規程》的要求。

2 試驗方法及配合比

本試驗有兩種“砂漿模擬”試件。一種為“級配粒徑砂漿模擬”試件，是在拌合、成型壓蒸試件時，采用水工大壩實際使用的三級配混凝土配合比，但需將混凝土中的小石、中石、大石分別采用粒徑為0.15～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm的級配砂等質量替代；另一種為“單粒徑砂漿模擬”試件，雖在拌合、成型壓蒸試件時，同樣采用水工大壩實際使用的三級配混凝土配合比，但采用該粒徑不超過4.75mm的砂，等質量替代混凝土中的全部粗骨料，包含小石、中石和大石。兩種砂漿模擬試件的成型，均參考《水泥砂漿安定性試驗方法-壓蒸法(試行)》進行，水灰比、灰砂比與三級配混凝土保持一致。為了進行對比，按照《水泥砂漿安定性試驗方法-壓蒸法(試行)》成型了砂漿試件。壓蒸試件的試模尺寸有20mm×20mm×250mm的小試件，25mm×25mm×280mm的標準試件，30mm×30mm×300mm的大試件三種。壓蒸試驗參照GB/T 750- 92《水泥壓蒸安定性試驗方法》的規定進行。

利用吸水動力學方法可以測量水泥石、砂漿和混凝土等多孔材料的孔結構參數。試驗方法：每一配方成型2塊100mm×100mm×10mm塊狀試件，將其養護至28d、90d齡期；達到齡期后，取出試樣，放于105～110℃的環境下干燥25～50h，冷卻至室溫后即可進行吸水試驗；測定0、0.25、0.5、0.75、1、24h吸水后試樣的質量和吸水率。可算出試件在相應齡期的質量吸水率、孔徑均勻性系數α、平均孔徑λ等參數，據此分析試樣的孔隙結構。

本試驗所用的三級配混凝土的配合比為：單位用水量132kg/m3、水泥用量264kg/m3、砂用量718kg/m3、小石用量400kg/m3、中石用量532kg/m3、大石用量400kg/m3。MgO的外摻量按占膠凝材料用量的百分數計。

3 試驗結果及其分析

不同尺寸的水泥砂漿試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸試驗結果分別見表1和圖1、表2和圖2、表3和圖3。“級配粒徑砂漿模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數結果分別見表4、表5。

表1 不同尺寸的水泥砂漿試件的壓蒸膨脹率

注：MgO- 0是指MgO摻量為0%，其他依次類推。

表2 不同尺寸的級配粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率

表3 不同尺寸單粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率

圖1 不同尺寸水泥砂漿試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

圖2 不同尺寸的級配粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

圖3 不同尺寸單粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

試件編號MgO摻量/%質量吸水率/%孔徑均勻性系數α平均孔徑參數λ28d90d28d90d28d90dGD-004.8883.6600.3170.3590.81750.460GD-554.0693.1600.4210.5450.54950.366GD-665.3462.0100.2110.2780.39090.122GD-775.7034.7360.0680.2310.31250.290

表5 “單粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數測試結果

(1)從表1、2、3看出，試件尺寸對水泥砂漿試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹變形的影響規律相似。即，當MgO摻量低于某一個值時，試件的壓蒸膨脹率由大變小的規律是：標準試件>小試件>大試件；當MgO摻量大于該值時，壓蒸膨脹率由大變小的規律是：小試件>標準試件>大試件；不管何種水泥基材料的試件，均是大試件的壓蒸膨脹率最小。基于本實驗所用的水泥砂漿試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件，引起壓蒸膨脹率變化規律發生轉變的MgO摻量分別為6%、7%和8%。初步分析如下：

MgO在小試件、標準試件、大試件中的分布密度，理論上是一樣的。但是，由于試件的長徑比不同(小試件、標準試件、大試件的長徑比分別為12.5、11.2、10)，自身約束力不同，MgO的水化環境存在差異，因此，試件的壓蒸膨脹率呈現差異性。例如，針對水泥砂漿小試件和標準試件，當MgO摻量小于5%時，小試件的MgO絕對摻量少，相對于試件的自身約束來言，MgO引起的膨脹效果小于約束效果，導致小試件的壓蒸膨脹變形相對小，低于標準試件的壓蒸膨脹率。當MgO摻量大于5%時，屬于高摻MgO的情況，此時MgO引起的膨脹效果大于約束效果，導致小試件的壓蒸膨脹變形大于標準試件。對于大試件，雖然MgO的絕對總量多，但其縱橫比最小，即試件自身的約束力最大，導致它的壓蒸膨脹率最小。

(2)從表1、2、3還發現，相同的MgO摻率，砂漿試件的壓蒸膨脹率最大，其次是“級配粒徑砂漿模擬”試件，最后是“單粒徑砂漿模擬”試件，即由此確定的MgO極限摻量規律是：“單粒徑砂漿模擬”試件﹥“級配粒徑砂漿模擬”試件﹥砂漿試件。

“級配砂漿模擬”試件中的砂經篩分又混合后，其細度模數為3.245(屬于粗砂)，顆粒級配屬于Ⅰ區，級配良好，石粉含量為9.12%；砂漿試件和“單粒徑砂漿模擬”試件中的砂，細度模數為2.43(屬于中砂)，顆粒級配屬于Ⅱ區，級配良好，石粉含量為25.83%。明顯地，這兩種“模擬砂漿”試件中的砂的細度模數(FM)不一樣。“單粒徑砂漿模擬”試件中的砂的FM相對小，且小于孔徑0.16mm以下的細粉含量多，其比表面積就大。FM值越小，砂越細。在相同MgO摻量時，MgO在細砂中比在粗砂中更為分散，以至減弱MgO膨脹能[5]，故“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹值相對小。

同時，采用吸水動力學方法來測定“單粒徑砂漿模擬”試件和“級配粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數，以判斷它們的孔隙情況。試驗結果見表4和表5。

從表4和表5可以看出，“級配粒徑砂漿模擬”試件在28d、90d的質量吸水率都相對較低，即孔隙率低，說明“級配粒徑砂漿模擬”試件要比“單粒徑砂漿模擬”試件密實。由于試件內部的微細孔隙可以吸收一部分因MgO引起的膨脹能，“單粒徑砂漿模擬”試件的膨脹變形比“級配粒徑砂漿模擬”試件小，從表2和表3的數據證明了這一點。

比較“單粒徑砂漿模擬”試件和砂漿試件。“單粒徑砂漿模擬”試件用粒徑不超過4.75mm的砂分別等質量代替三級配混凝土中的砂、小石、中石、大石，再混合拌勻，可以認為“單粒徑砂漿模擬”試件混合后的砂與砂漿試件中的一樣，即在試件尺寸相同時，這兩種試件的砂的細度、級配均相同，但砂漿試件的灰砂比約為“單粒徑砂漿模擬”試件灰砂比的3倍。說明灰砂比是影響砂漿試件壓蒸膨脹變形的重要因素之一。水泥砂漿試件的灰砂比大，說明其單位體積中的水泥膠材含量高，自然壓蒸膨脹率就大。

(3)按照GB/T750- 92《水泥壓蒸安定性試驗方法》，以壓蒸膨脹率不超過0.5%時對應的MgO摻量作為MgO的極限摻量，則基于本試驗的砂漿小試件、標準試件、大試件，MgO的極限摻量分別為7.03%、7.08%、7.14%，“級配粒徑砂漿模擬”小試件、標準試件、大試件的MgO極限摻量分別為7.34%、7.66%、7.82%，“單粒徑砂漿模擬”小試件、標準試件、大試件的MgO極限摻量分別為8.05%、8.13%、9.1%，即采用“單粒徑砂漿模擬”試件確定的MgO極限摻量為最大。這說明，增大壓蒸試驗所用的試件尺寸，或者改變水泥基材料的種類，可以提高MgO的極限摻量。另外，從圖1～圖3可以看到，對同一種水泥基材料，三種尺寸試件出現拐點時對應的MgO摻量均相差不大。若按照《暫行規定》，以壓蒸膨脹率隨MgO摻率變化曲線的拐點對應的MgO摻量作為MgO的極限摻量，則砂漿試件的MgO極限摻量為5.5%左右，“級配粒徑砂漿模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件的MgO極限摻量均約為6%。不同尺寸的“單粒徑砂漿模擬”試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、砂漿試件的MgO極限摻量的最大相差依次為1.05、0.48、0.11個百分點，即“單粒徑砂漿模擬”壓蒸試件的尺寸效應最明顯。

4 結論

(1)試件尺寸對外摻MgO水泥基材料試件的壓蒸膨脹變形存在影響。在某一MgO摻量之前，標準試件的壓蒸膨脹率最大；超過該摻量時，小試件的壓蒸膨脹率最大。同時，相對于小試件、標準試件而言，大試件的壓蒸膨脹率始終最小。

(2)無論小試件、標準試件還是大試件，利用壓蒸試驗，按照GB/T750- 92確定的MgO極限摻量由小變大的規律均為：砂漿試件﹤“級配粒徑砂漿模擬”試件﹤“單粒徑砂漿模擬”試件。

(3)試件尺寸對外摻MgO“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹變形影響較明顯。建議通過適當增大“單粒徑砂漿模擬”試件尺寸來提高水工混凝土的MgO極限摻量。

[1] GB/T750- 92. 水泥壓蒸安定性試驗方法[S]；《水泥砂漿安定性試驗方法-壓蒸法(試行)》(以下簡稱“暫行規定”)；貴州省發布的地方標準DB52/T720- 2010. 全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術規范[S]；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．

[2] 李萬軍, 李曉勇, 陳學茂, 等. 外摻MgO混凝土壓蒸安定性試驗方法的探討[J]. 水電站設計, 2010(01): 67- 71．

[3] 李維維, 陳昌禮, 李良川, 等. 外摻MgO水泥凈漿和砂漿小尺寸試件的壓蒸膨脹變形[J]. 材料科學與工程學報, 2016(01): 160- 165．

[4] 陳昌禮. 水工混凝土中氧化鎂安定摻量的判定方法述評[J]. 水利水電技術, 2015(09): 135- 138．

[5] 陳理達, 謝立國, 李紅彥. 外摻MgO水泥砂漿配比對壓蒸膨脹值的影響[J]. 廣東水利水電, 2003(03): 4- 5．