MgO和納米MgO對超高性能混凝土中水泥基本工作性能的機理影響研究

徐煥文

（鐵正檢測科技有限公司,山東 濟南 250014）

0 引言

高性能混凝土（HPC）因其高強度及高耐久性等優勢，是目前水泥基研究領域的重點材料，其在橋梁工程中得到廣泛應用。HPC一方面可以顯著提高橋梁工程的安全性能，另一方面延長了橋梁的服役壽命，大大增強了橋梁結構的穩固性。

然而，不容忽視的是在橋梁工程中應用HPC時，由于其水泥摻比較大，導致水化熱的釋放相對集中，進而整個UHPC體系容易產生溫度的收縮變形。當體系的收縮變形較大時，HPC內部會衍生一定的收縮應力，進而增加了UHPC體系界面過渡區脆性開裂的可能性[1-2]，削弱了結構的承載能力和耐久性能，進一步降低了橋梁工程的服役壽命。當前研究多圍繞補償收縮混凝土技術來緩解甚至完全抑制上述問題的產生，其核心思想是摻加一定比例的膨脹劑來緩解抑制混凝土的收縮變形，進而達到減少甚至控制混凝土結構裂縫病害的效果[3]。氧化鎂系膨脹劑表現出較為明顯的溫度激發特性，可以大幅度地補償混凝土的干燥收縮和溫度收縮，因而得到了廣泛的研究與應用。已有的研究表明，不同摻量的氧化鎂膨脹劑對水泥砂漿、水泥混凝土及水泥漿體的工作性能、力學性能和耐久性能等均可以產生較大的影響[4-8]，然而在相關試驗和實際應用時為了保證混凝土結構強度和體積穩定性，需要限制氧化鎂系膨脹劑的摻比，其摻比過大時容易對結構體系產生“負效應”[9]；而納米氧化鎂膨脹劑相比于氧化鎂在力學性能、水化膨脹效應及體積安定性等方面具有更為明顯的優越性。但是，當前相關學者在氧化鎂與納米氧化鎂膨脹劑的微觀性能表征及水化膨脹機理等方面仍存在一定的分歧，同時圍繞兩者內摻取代部分水泥對整個膠凝體系工作性能影響規律的相關研究相對匱乏。因此，本文借助XRD、SEM和TG等微觀手段闡明氧化鎂和納米氧化鎂系膨脹劑的晶體活性和微觀形態，研究了氧化鎂和納米氧化鎂系膨脹材料的水化反應特性以及對水泥基本工作性能的影響規律。

1 項目概述

勝利黃河大橋維修改造工程項目位于東營市墾利縣城東北側，是中國第一座雙鋼箱式斜拉公路橋，也是橫跨黃河最下游的一座橋。勝利黃河大橋全長2 817.46 m，主橋為5孔跨徑，長682 m，連續雙箱正交異性板鋼斜拉橋，引橋為跨徑30 m預應力混凝土箱梁，橋面寬19.5 m。主要維修改造內容為：主橋下部結構的加固、橋塔的加固及防腐，鋼梁的維修加固防腐涂裝；更換全橋88根斜拉索；拆除主橋下部四根輸油管道；主橋橋面鋪裝更換為上層3 cm改性瀝青混凝土面層+下層5.5 cm單層鋼筋網超高性能混凝土（UHPC）；引橋上部結構、蓋梁及墩柱拆除重建；引道路面改造等。其中用于橋面鋪裝更換的UHPC對原材料，如水泥、骨料、外加劑等提出了非常嚴格的要求，進而促進了對影響原材料反應機理的化學組分的研究。

2 原材料與試驗方法

2.1 原材料

試驗中的水泥材料為德州中聯大壩水泥有限公司的P·Ⅱ 52.5級（低堿）硅酸鹽水泥，比表面積335 m2/kg；膨脹劑為澤輝化工集團生產的氧化鎂和納米氧化鎂，表1為兩者的基本物化特性。

表1 硅酸鹽水泥基本性能指標

2.2 配合比

水泥膠凝材料及砂漿的相關配比見表3，其中氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑的摻量按占水泥的用量的百分數計。

表3 水泥膠凝材料配合比

2.3 試驗方法

水泥的基本工作性能試驗按照GB/T 1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢測方法》要求進行。

氧化鎂和納米氧化鎂基本工作性能試驗按GB/T 8076-2008《混凝土外加劑》要求進行。

表2 氧化鎂和納米氧化鎂基本物化特性

氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑對水泥膠砂減水率的影響試驗，依據GB/T2419-2005《水泥膠砂流動度測定方法》和GB/T8076-2008《混凝土外加劑》要求進行。

氧化鎂和納米氧化鎂的水化特性采用熱重分析試驗進行研究。試驗方法為：稱取一定質量的氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑樣品置于干燥潔凈的500 ml燒杯中，加入350 ml的蒸餾水，用電磁攪拌器充分攪拌。靜置24小時后，過濾后將過濾物置于105～110℃烘箱中烘干。烘干后將水化產物置于干燥器內冷卻至室溫。并取12 mg試樣于高溫熱重分析儀中測定膨脹劑水化產物的熱重分析（TG）曲線，加熱氣氛為空氣，加熱速率為10 ℃/min，溫度區間0～600℃。

3 結果與討論

3.1 氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑摻量對水泥標準稠度用水量的影響

由圖1可知，在氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑摻量小于10%的前提下，隨著氧化鎂摻量的增加，水泥-氧化鎂體系標準稠度用水量不斷增加，整個水泥水化反應體系需水量呈上升趨勢。從圖1中可清晰看到，當以M0作為基準組，即氧化鎂摻量為0.0%時，水泥的標準稠度用水量為140.0 g；M10組配比下，即氧化鎂摻量為10.0%時，水泥的標準稠度用水量達到了169.5 ml，相對M0組增大了21.1%。這表明在拌制超高性能混凝土時，要達到同樣的流動擴展度，在摻加高氧化鎂膨脹劑的情況下需要更多的水，增大了水膠比，使其內部孔隙增多，對強度造成了一定損害。從而也能得出高氧化鎂膨脹劑的摻加使其水化產物填充孔隙的能力降低，增加了超高性能混凝土內部結構有害孔隙。

同理，由圖1可知，隨著納米氧化鎂摻量的不斷增加，水泥-納米氧化鎂體系標準稠度用水量呈緩慢上升趨勢，表現出一定的線性相關性。當納米氧化鎂摻量為10%時，NM10組標準稠度用水量為145.0 ml，相比M0組用水量僅增大了3.6%。由此可看出，在氧化鎂和納米氧化鎂同等摻量情況下，達到同一稠度，水泥-納米氧化鎂體系的需水量較水泥-氧化鎂體系的需水量少15%左右。同時在相同水膠比的情況下，水泥-納米氧化鎂體系的流動度和孔隙填充能力方面明顯優于水泥-氧化鎂體系。從而可以得出，納米氧化鎂膨脹劑對超高性能混凝土的工作性能、孔隙充填率和強度耐久性等方面顯著優于氧化鎂。

圖1 氧化鎂與納米氧化鎂對體系標準稠度用水量影響

3.2 氧化鎂和納米氧化鎂摻量對水泥凝結時間的影響

由圖2可知，水泥-氧化鎂體系的凝結時間隨氧化鎂摻量的增多而增加，同時氧化鎂對體系終凝時間的影響程度明顯大于對體系初凝時間的影響程度。這主要是因為水泥基材料加速水化階段，C3A和C3S等組分的快速水化，主導了整個體系的水化進程，從而降低了對體系初凝時間的影響程度。而氧化鎂粒度相對較大，水泥初始水化誘導氧化鎂參與反應的難度相對較大，從而隨著氧化鎂的摻量增加，水泥膠凝體系的水化反應受到一定的阻力，進而延緩了體系的水化凝結反應進程。當氧化鎂摻比10%時，水泥-氧化鎂體系水化凝結時間最長，初凝時間達到了243 min，終凝時間達到了425 min，導致終凝時間不滿足GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的相關要求。因此可以得出，氧化鎂在超出合理摻量后，會對水泥-氧化鎂體系的凝結作用產生抵制效應，不能滿足超高性能混凝土對水泥等膠凝材料工作性能的要求，以致在一定程度上影響了氧化鎂在水泥等膠凝材料中的應用。

同理，由圖2可知，同一摻量下，相較于氧化鎂凝膠體系，納米氧化鎂膠凝體系凝結時間的發展規律呈現先升后降趨勢，同時納米氧化鎂對水泥-納米氧化鎂膠凝體系凝結時間的影響程度較小。由圖中膨脹劑摻量和凝結時間相關曲線可以看出，當納米氧化鎂摻量小于4%時，水泥-納米氧化鎂膠凝體系的初凝與終凝時間隨納米氧化鎂摻量的增加而緩慢增長；當納米氧化鎂摻量大于4%時，初凝時間和終凝時間反而隨納米氧化鎂摻加的增加而減小。這主要是因為納米氧化鎂摻入量較少時，其對凝膠體系水化反應抑制作用不明顯，所以水泥膠凝材料的初凝時間和終凝時間的變化不大；當摻入量較大時，由于納米氧化鎂較氧化鎂粒度小、活性高，極易在水泥水化過程中引起催化反應，從而加快了未水化水泥顆粒的水化以及水化凝膠產物的進一步水化反應，最終導致水泥-納米氧化鎂體系的凝結時間縮短，所以得力于納米氧化鎂的高活性，超高混凝土配制過程中適當摻量的納米氧化鎂膨脹劑可以增加混凝土拌合物的保水性等工作性能，同時也能增加混凝土的密實性和耐久性。

圖2 不同氧化鎂膨脹劑摻比對水泥凝結時間的影響

3.3 氧化鎂和納米氧化鎂摻量對水泥砂漿減水率的影響

由圖3可知，隨著氧化鎂摻量的增加，水泥砂漿減水率顯著降低。這也是水泥-氧化鎂膠凝體系標準稠度用水量變化趨勢的直觀反應，即隨著氧化鎂摻量的增加，如要達到相同的流動度，用水量就要持續增加，減水率逐漸下降。其中M0組水泥砂漿流動度為200±5mm時水泥-氧化鎂凝膠體系用水量為215.5 g，當氧化鎂的摻量達到10%時，達到基準流動度的用水量261.0 g，減水率降為-21.11%。這表明隨著氧化鎂摻量的增加，超高性能混凝土如要達到最佳的和易性，需大量增加用水量，這會對混凝土結構的強度和耐久性造成明顯的負面影響。

同理，由圖3可知，隨著納米氧化鎂摻量的增加，水泥凝膠體系的減水率呈現下降趨勢，但相較于水泥-氧化鎂體系，納米氧化鎂摻量對水泥砂漿減水率的影響明顯小很多。當納米氧化鎂摻量為10%時，水泥砂漿達到標準流動度時需水量是231.7g，減水率降為-7.52%。這主要是因為納米氧化鎂粒度更細，滾珠效應增強，從而彌補了水化反應加快凝結時間縮短的不利影響。因此可以得出，在氧化鎂和納米氧化鎂摻量相同時，納米氧化鎂對超高混凝土拌合物用水量有明顯降低作用，明顯改善混凝土拌合物，其工作性能、結構強度和耐久性大大提高。

圖3 不同膨脹劑摻比對水泥砂漿減水率的影響

3.4 氧化鎂和納米氧化鎂材料的微觀性能表征

由圖4可知，氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑純度較高，均未出現其他雜質衍射峰，純度均可達到98%以上。通過圖中對比氧化鎂和納米氧化鎂的XRD結果可知，兩者X射線衍射峰位置相同，但納米氧化鎂衍射峰寬化明顯，峰型比較尖銳。根據Jade6軟件明確其衍射圖形的半高寬度β1/2和衍射角θ，代入式（1）計算可得晶體顆粒垂直方向平均尺寸D=48.16nm。

圖4 氧化鎂和納米氧化鎂的XRD結果

由圖5的SEM結果可知，氧化鎂結晶度更高，晶格緊密，晶體結構相對完整；而納米氧化鎂晶粒尺寸相對較小，且晶格畸變缺陷多，但其整體結構分散性好，無硬團聚的現象產生。結合圖4XRD的結果可得，在氧化鎂和納米氧化鎂膨脹劑的生產制備過程中，隨著煅燒溫度的不斷升高和等溫燒結時間的延長，膨脹劑的晶體粒徑不斷增大，其中氧化鎂晶體的平均粒徑尺寸在高溫煅燒下大于400 nm，納米氧化鎂晶體的平均粒徑尺寸在低溫煅燒條件下為50 nm。

圖5 氧化鎂和納米氧化鎂的SEM結果

由圖6熱分析結果可知，320～350℃的溫度范圍內可以觀察到Mg(OH)2的分解程度，同時氧化鎂水化產物的熱分解失重比例明顯小于納米氧化鎂，在相同反應時間、溫度及水化環境下，后者晶體結構活性更大，水化速率更快，Mg(OH)2的生成比重更高。熱重試驗結果與氧化鎂和納米氧化鎂的基本特性、XRD和SEM結果吻合，表明納米氧化鎂晶格生長完整度較低且顆粒尺寸較小，進而其分子參與反應的能力較強。

圖6 氧化鎂熱分析檢測

4 結論

（1）水泥-氧化鎂/納米氧化鎂體系標準稠度用水量隨其摻量增加呈上升趨勢，但納米氧化鎂體系較氧化鎂體系上升趨勢平緩；在同等摻量的氧化鎂和納米氧化鎂體系下，納米氧化鎂用水量較氧化鎂體系低；納米氧化鎂膨脹劑在超高性能混凝土的工作性能、孔隙充填率和強度耐久性等方面顯著優于氧化鎂。

（2）隨著氧化鎂摻量的增加，水泥-氧化鎂體系的初衷凝時間均增長，初凝時間的影響程度明顯弱于終凝時間；納米氧化鎂對體系凝結時間的影響呈現先升后降趨勢，即納米氧化鎂對凝結時間的影響有最佳摻量點。

（3）隨著氧化鎂摻量的增加，水泥砂漿標準流動度需水量逐漸增加，體系減水率逐漸降低；在氧化鎂和納米氧化鎂摻量相同時，納米氧化鎂對超高混凝土拌合物用水量有明顯的降低作用，明顯改善混凝土拌合物，其工作性能和結構強度、耐久性大大提高。

（4）納米氧化鎂由于粒度更小、水化反應更快更完全，使其水化產物的熱分解失重量明顯大于氧化鎂；相同的反應時間、溫度及水化環境下納米氧化鎂晶體結構活性更大，水化反應進程更快。