微膨脹混凝土的性能研究

劉 波 楊立富 吳魁基

1. 中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司科學試驗研究院 云南 昆明 650033

2. 承德寶通電力有限公司 河北 承德 067000

在水電站工程中，填塘、洞井塞混凝土四周受基巖約束，降溫產生的溫度應力較大，容易把結合面拉開，影響結構的整體性及穩定性[1-3]。為此，開展微膨脹混凝土的性能研究。為設計提供可靠的微膨脹混凝土配合比性能參數。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

紅塔滇西水泥股份有限公司生產的42.5級中熱硅酸鹽水泥；

宣威火電廠Ⅰ級粉煤灰。

（2）骨料

孔雀溝石料場黑云花崗片麻巖和角閃斜長片麻巖混合的人工骨料，混合比例（體積比）為：黑云:角閃=75%:25%，試驗采用生產性成品碎石和人工砂進行。

（3）外加劑

選用浙江龍游五強混凝土外加劑有限責任公司生產的ZB-1A型減水劑和上海麥斯特建材有限公司生產的AEA202引氣劑復合。

（4）膨脹劑

①遼寧海城東方滑鎂公司生產的氧化鎂MgO（不要求做化學分析）；

②江西武冠新材料股份有限公司生產的WG-HEA高效抗裂型防水劑；

③重慶市江北特種股份有限公司生產的ZY①型普通混凝土膨脹劑。

1.2 試驗方法

混凝土試驗參照《水工混凝土配合比設計規程》DL/T 5330-2005和《水工混凝土試驗規程》DL/T 5150-2001方法進行。

2 試驗結果與分析

2.1 膨脹劑摻粉煤灰性能試驗

2.1.1 水泥雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂強度

摻用宣威火電廠Ⅰ級粉煤灰。

試驗結果表明：在42.5級中熱硅酸鹽水泥中單摻30%粉煤灰，28天抗壓強度比為77.7%；后期隨著粉煤灰二次水化的作用強度增加較快，即90天抗壓強度比為102.6%。

水泥在摻入30%粉煤灰后分別復摻膨脹劑水泥性能如下：

（1）分別復摻2%、5% MgO，28天抗壓強度比分別為72.0%、65.2%，28天抗壓強度比較單摻粉煤灰的分別降低5.7%、12.5%；90天抗壓強度比分別為93.9%，84.0%，強度比分別降低9.7%、18.6%。隨著MgO摻量的增加膠砂抗壓強度降低越大。

（2）分別復摻8% WG-HEA防水劑、ZY①膨脹劑，28天抗壓強度比分別為71.5%、70.2%， 90天抗壓強度比分別為92.7%、93.2%；較摻單摻粉煤灰的分別降低6.2%~9.9%。

2.1.2 雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂限制膨脹率

（1）分別復摻2%、5%MgO，水中7天限制膨脹率分別為0.0057%、0.0069%，28天限制膨脹率分別為0.0068%、0.0082%；空氣中21天限制膨脹干縮率分別為-0.0007%、-0.0050%。

（2）復摻8%WG-HEA，水中7天、28天限制膨脹率分別為0.0089%、0.0198%，空氣中21天限制膨脹干縮率為-0.0095%。

（3）復摻8%ZY①，水中7天、28天限制膨脹率分別為0.0259%、0.0310%，空氣中21天限制膨脹率為0.0074%。

試驗結果表明：

（1）雙摻粉煤灰、MgO，當MgO摻量從2%增加到5%，水中7天、28天的限制膨脹率，后者較前者增加1.21倍。

（2）水泥中摻入30%粉煤灰復摻8% ZY①膨脹劑膠砂，在水中限制膨脹率7天、28天分別是復摻8%WG-HEA防水劑的2.91倍、1.57倍；是復摻2%MgO的4.54倍、4.56倍。試件在空氣中21天，除復摻ZY①膨脹劑仍為膨脹外，其余均為收縮型。

（3）三種膨脹劑的限制膨脹率從大到小的順序為ZY①、WG-HEA、MgO。

2.1.3 水泥及雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂干縮率

從試驗結果來看，紅塔42.5級中熱硅酸鹽水泥中單摻30%的Ⅰ級粉煤灰，膠砂干縮率略有降低，表明粉煤灰有抑制膠凝材干縮的性能。水泥中雙摻粉煤灰及膨脹劑，膠砂干縮率較單摻粉煤灰的大。膠砂干縮率變化大小順序為：凈水泥> ZY①> WG-HEA > MgO（摻量5%）> MgO（摻量2%）>單摻粉煤灰。

2.1.4 水泥及雙摻粉煤灰、膨脹劑水化熱

（1）未摻摻合料中熱水泥1天、3天、7天的水化熱分別為168.31kJ/kg、240.75 kJ/kg、285.18 kJ/kg。

（2）中熱水泥單摻30%宣威Ⅰ級粉煤灰，1天、3天、7天的水化熱分別為115.30kJ/kg、172.71 kJ/kg、211.23 kJ/kg。

（3）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級粉煤灰復摻2%MgO， 1天、3天、7天的水化熱分別為115.52kJ/kg、171.80kJ/kg、216.36 kJ/kg。

（4）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級粉煤灰復摻5%MgO， 1天、3天、7天的水化熱分別為119.51kJ/kg、174.47kJ/kg、216.54 kJ/kg。

（5）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級粉煤灰復摻8%WGHEA，1天、3天、7天的水化熱分別為120.62kJ/kg、188.90kJ/kg、218.75 kJ/kg。

（6）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級粉煤灰復摻8% ZY①， 1天、3天、7天的水化熱分別為118.97kJ/kg、183.04kJ/kg、216.04 kJ/kg。

結果表明，中熱水泥單摻30%的宣威Ⅰ級粉煤灰，水化熱顯著降低，雙摻粉煤灰及膨脹劑，水化熱較單摻粉煤灰的略大，但明顯低于凈水泥的水化熱。

2.2 混凝土配合比設計

經試拌調整，滿足混凝土拌合物技術指標的配合比列于表1。

表1 混凝土配合比表

2.3 混凝土性能

2.3.1 限制膨脹率和限制收縮率

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級配混凝土，水中14天限制膨脹率在0.2×10-4-0.6×10-4之間，其中最大的為復摻WGHWA、ZY①混凝土。空氣中28天限制收縮率在0.2×10-4-0.5×10-4之間，最小的為復摻2%MgO的混凝土。

雙摻粉煤灰及膨脹劑二級配混凝土，水中14天限制膨脹率在0.5×10-4-1.0×10-4之間，最大的為復摻ZY①混凝土。空氣中28天限制收縮率在0.3×10-4-0.7×10-4之間，最小的為復摻ZY①的混凝土，表明ZY①膨脹劑對濕度最為敏感。

2.3.2 線膨脹系數和自生體積變形

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級配混凝土線膨脹系數在8.663×10-6/℃-9.315×10-6/℃之間，二級配混凝土線膨脹系數在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之間，線膨脹系數偏大，主要與花崗巖骨料有關。

混凝土的自生體積變形，主要是水泥水化過程中，水泥晶體成分的體積變化和水化膠狀生成物與晶體生成物的體積變化有關。

從自生體變試驗結果和曲線可以看出，摻30%粉煤灰復摻膨脹劑混凝土自生體積變化趨勢均為膨脹性體積變形。復摻MgO的混凝土早期膨脹速度小于復摻WG-HEA和ZY①的混凝土，后期則緩慢增長；而復摻WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨脹較快，7天內膨脹基本結束，中、后期保持膨脹狀態。

2.3.3 混凝土約束試驗

（1）兩向約束

由現有試驗結果及約束應力曲線表明：四級配混凝土中復摻8%ZY①的混凝土兩向約束應力相對較大，隨齡期的增長呈現應力增加的趨勢，而摻2%MgO的混凝土兩向約束應力相對最小；二級配混凝土中復摻8%WG-HEA和8%ZY①的混凝土兩向約束應力相對較大，復摻8%WG-HEA的約束應力早期應力較大，隨齡期的增長應力有降低的趨勢，復摻8% ZY①的約束應力卻隨齡期的增長略有增大。而摻2%MgO的混凝土兩向約束應力相對最小。

（2）三向約束

四級配和二級配混凝土中復摻8%ZY①的混凝土三向約束應力相對較大，且隨齡期的增長呈現應力增大的趨勢，在四級配混凝土中復摻2%MgO的三向約束應力最小，在二級配混凝土中復摻MgO約束應力也隨齡期的增長呈現應力增大的趨勢。

3 結束語

①在42.5級中熱硅酸鹽水泥中摻30%粉煤灰后復摻膨脹劑膠砂的限制膨脹率從大到小的順序為ZY①>WGHEA> MgO。

②42.5級中熱硅酸鹽水泥及雙摻Ⅰ級粉煤灰、膨脹劑后，膠砂干縮率變化大小順序為：凈水泥> ZY①> WG-HEA> MgO（摻量5%）> MgO（摻量2%）>單摻粉煤灰。

③42.5級中熱硅酸鹽水泥采用30%的Ⅰ級粉煤灰等量取代水泥后，水化熱顯著降低。水泥在摻入粉煤灰后再復摻膨脹劑，水化熱較單摻粉煤灰的略大，但明顯低于凈水泥的水化熱。

④限制膨脹率和限制收縮率

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級配混凝土水中14天限制膨脹率，最大的為復摻 WG-HWA、ZY①的混凝土。空氣中28天限制收縮率最小的為復摻2%MgO的混凝土。

雙摻粉煤灰及膨脹劑二級配混凝土水中14天限制膨脹率，最大的為復摻ZY①的混凝土。空氣中28天限制收縮率最小的為復摻ZY①的混凝土。

⑤線膨脹系數和自生體積變形

雙摻粉煤灰及膨脹劑的四級配混凝土線膨脹系數在8.663×10-6/℃-9.496×10-6/℃之間，雙摻粉煤灰及膨脹劑二級配混凝土線膨脹系數在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之間。

混凝土自生體變試驗結果表明，雙摻粉煤灰及膨脹劑混凝土自生體積變化趨勢均為膨脹型。復摻MgO的混凝土早期膨脹速率小于復摻WG-HEA和ZY①混凝土，后期仍緩慢增長；而復摻WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨脹較快，7天內膨脹基本結束，中、后期略有收縮。就膨脹量而言，復摻MgO的混凝土膨脹量較小，且隨摻量及齡期的增加膨脹量增大，180天尚未穩定；在復摻膨脹劑混凝土中，復摻ZY①的膨脹量最大。

⑥約束應力

就現有的試驗結果來看，復摻ZY①的混凝土兩向、三向約束應力相對較大，且隨齡期的增長呈現應力增大的趨勢，復摻MgO的混凝土約束應力與摻量成正比，摻量越大，應力越大。