氯氧鎂改性混凝土設計與應用技術研究

尹湯軍

摘要：為了研究出適應西南地區氣候的道路材料和有效的處理鹽湖地區含氯氧鎂的廢料，文章研究出了作為道路材料的氯氧鎂改性混凝土，其強度遠遠高于普通硅酸鹽水泥混凝土，并通過加入抗水劑、粉煤灰等外加劑能顯著提高其耐水性、耐磨性和收縮性。氯氧鎂改性混凝土綜合性能遠遠高于普通硅酸鹽水泥混凝土，但其運輸等成本較高，綜合性價比為0.83，實際工程中需考慮就地取材等因素。

關鍵詞：西南地區;氯氧鎂改性混凝土;性價比

中圖分類號：U416.03A220803

0 引言

我國西南地區普遍存在海拔高、晝夜溫差大和長期溫度較低等特點，這些特點對于道路工程建設存在較大困難，普遍應用在工程建設中的普通硅酸鹽水泥在這樣的環境下，會存在水化速率降低、凝結硬化較慢、早期強度較低和易開裂等缺點，導致道路工程提前損壞或出現諸多病害，造成資源的大量浪費。

氯氧鎂水泥是一種氣硬性膠凝材料，與傳統的硅酸鹽水泥不同，氯氧鎂水泥成型后能更好地抵抗因外界溫度、濕度等環境變化而引起的強度和體積變化，因此將氯氧鎂水泥應用在西南地區的道路建設中能顯著地提高道路的使用壽命。與此同時，西南地區存在大量的鹽湖，在鹽湖中提取鉀肥會產生大量含氯氧鎂的廢料，如果處理不當，將會對當地環境造成嚴重影響。因此，氯氧鎂水泥的使用不僅能改善工程質量，還能“變廢為寶”，達到環境保護的目的。

但是，目前氯氧鎂水泥的應用范圍較為狹窄，如裝飾和包裝材料、耐火磚和管道中[1-2]，應用于道路施工混凝土中還很少見，主要的原因分為以下兩點：（1）國內外對于氯氧鎂改性混凝土的主要研究集中于耐水性[3-4]，并沒有明確的技術指標表明其在道路工程施工的應用;（2）氯氧鎂水泥與傳統硅酸鹽水泥性質存在許多差異，傳統的規范和施工方案并不適用[5-6]。

但在西南地區道路施工中的問題主要有原材料運輸困難、溫度低導致材料前期強度發展不足和后期抵抗凍融能力較低，通過以往對于氯氧鎂水泥的研究[7-11]，氯氧鎂改性混凝土能很好地解決上述問題，因此制定出氯氧鎂改性混凝土應用于道路施工中的方案和可行性分析，是十分有指導意義的。

1 氯氧鎂改性混凝土設計

1.1 配合比設計參照

氯氧鎂改性混凝土是以氯氧鎂水泥為膠凝材料，加之砂、石、水和其他外加劑混合而成的一種材料，加入的物質及量的多少都將對材料的性能產生很大的影響，因此，本文將結合普通硅酸鹽水泥的配合比設計規范，通過修正相關參數，使其能達到工程要求。普通硅酸鹽水泥的設計流程圖如圖1所示，氯氧鎂水泥混凝土相關的技術要求如表1所示。

1.2 配合比設計實例

本次試驗對于混凝土的要求為抗壓強度30 MPa、抗彎拉強度4.0 MPa、坍落度為10～50 mm，在此之前需要對氯氧鎂改性混凝土的配合比進行探究，首先需要進行氧化鎂含量的探究，通過控制量，改變氧化鎂的含量配置不同的混凝土，測量其7 d后的強度，如圖2所示，從圖中可以看出，氧化鎂的含量與混凝土的抗壓強度和抗折強度成正比，當氧化鎂含量為190 kg時，抗壓強度和抗折強度均低于要求值，當氧化鎂含量為210 kg時，抗壓強度達到要求，但是抗折強度未達到要求，當氧化鎂含量為230 kg時，抗壓強度和抗折強度均能達到要求值，故在考慮經濟和強度要求的條件下，選取氧化鎂含量為230 kg。

其余原材料的用量可通過相關計算得到，如通過式（1）計算得到氯氧鎂的用量為104.05 kg/m3，通過式（2）計算得到最佳用水量為81.07 kg/m3、含砂率為38%、砂用量754.25 kg/m3和碎石用量為1 230.63 kg/m3。以上所有原材料的用量配比是室內試驗設計的，考慮到現場施工的具體條件，需要對實驗室配比進行適當的調整，最終的配比如表2所示。

2 氯氧鎂改性混凝土應用

2.1 性能檢測

道路材料最終能否應用在實際工程之中，需要對其相關的性能進行檢測，如耐水性、收縮性、抗滲性以及抗凍性等，應該需要對以上配比的氯氧鎂改性混凝土進行驗證。

混凝土的耐水性驗證是將制作好的試件先放在室內養護28 d，隨后將試樣分別放在淡水和濃度為10%的 Na2SO4溶液中浸泡28 d，浸泡后將試樣放在烘箱中烘干，烘干溫度設置為60 ℃，最后測量其抗壓和抗折強度及軟化系數。最終得到的結果是淡水中的試樣強度下降了40%左右，而Na2SO4溶液中的試樣強度下降30%左右，原因是Na2SO4進入到試樣內部后會形成某種結晶物質堵塞通道，防止水對試樣的進一步損傷。但是氯氧鎂改性混凝土的強度高于普通硅酸鹽混凝土，浸泡過后雖然強度下降，但是仍然高于普通硅酸鹽混凝土，因此以上結果表明雖然該混凝土在水中會被軟化導致強度有所降低，但是其耐水性仍然滿足工程要求。

道路用混凝土的收縮性主要是其體積的變化，但是體積的改變會間接改變混凝土的孔隙率，這就會對混凝土的抗凍性和抗碳化性等產生直接的影響，因此有必要對氯氧鎂改性混凝土的收縮性進行研究，本次試驗將不同種類能抵抗收縮性的物質加入到氯氧鎂改性混凝土中，然后與普通硅酸鹽水泥的收縮性進行對比，結果如圖3所示。

從圖中可以看出，水泥砂漿的收縮變形主要在20 d之前，20 d之后體積較為穩定，前期的變形主要是由于水泥砂漿的水化反應引起的。與普通硅酸鹽水泥類似，氯氧鎂水泥砂漿也會存在收縮變形，加入礦粉和粉煤灰的砂漿也發生了膨脹變形，但是幅度很小，近似認為是穩定的狀態;加入白云石粉的砂漿發生了收縮變形，幅度也只有普通硅酸鹽水泥砂漿膨脹的一半;所有曲線的共同點都是收縮或膨脹變形主要發生在前7 d。因此在具體施工時，建議在氯氧鎂改性混凝土中加入適當的礦粉或者粉煤灰，對于其體積的穩定性比較有利。通過抗凍性和抗滲性的研究，得到氯氧鎂改性混凝土具有很好的抗滲性能和抗凍性能。

2.2 現場應用

為了驗證氯氧鎂改性混凝土現場應用效果，將其應用在西南地區某道路工程之中，施工順序為施工準備、氯氧鎂改性水泥混凝土制備及運輸、攤鋪、振搗、整平和切縫、拉毛和拆模及養護，后期運行一段時間過后，需要對其強度等指標進行檢測，對同一路段連續10 d進行回彈儀獲取強度數據，最終結果如圖4所示。從圖中可以看出，氯氧鎂改性水泥混凝土強度在3～4 d就能達到強度設計值，且至第7 d，強度一直處于上升狀態，7 d后強度達到基本穩定的狀態，為設計值的130%左右，遠遠高于普通硅酸鹽水泥的強度。

通過對各種原材料等進行分析發現，輕燒粉成本高于普通硅酸鹽水泥，但是氯氧鎂的成本低于普通硅酸鹽水泥，如果僅從材料的角度出發，氯氧鎂改性混凝土每立方米的成本較普通硅酸鹽水泥混凝土的成本降低2%。但是輕燒粉目前主要來源是東北等較遠的地區，其運輸成本將大大增加，將運輸費考慮進成本后，氯氧鎂改性混凝土每m3的成本較普通硅酸鹽水泥混凝土的成本升高了54%，綜合環境等相關因素，從性價比來說，氯氧鎂改性混凝土的性價比為0.83，相對較低。建議擴展西南地區的鹽湖地區的氧化鎂制備工藝方面的研究。

3 結語

為了研究出適應西南地區氣候的道路材料并有效地處理鹽湖地區含氯氧鎂的廢料，本文研究出了作為道路材料的氯氧鎂改性混凝土配合比，其強度遠遠高于普通硅酸鹽水泥混凝土，通過加入抗水劑、粉煤灰等外加劑能顯著地提高其耐水性、耐磨性和收縮性。氯氧鎂改性混凝土綜合性能遠遠高于普通硅酸鹽水泥混凝土，但其運輸等成本較高，綜合性價比為0.83，實際工程中需考慮就地取材等因素。

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收稿日期：2020-05-10