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(guān)聯(lián)性

陳昌禮,陳榮妃,顏少連,雷 平,李維維

(1.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550002; 3.貴州師范大學(xué)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(shù)已在我國水利水電行業(yè)的50多個工程獲得應(yīng)用[1-3],而國外僅有少量齡期1 a左右的室內(nèi)試驗研究報道,無工程應(yīng)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(shù)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(huán)境均采用標(biāo)準(zhǔn)條件(即溫度為(215.7±1.3)℃、對應(yīng)壓力為(2.0±0.05)MPa、恒壓時間為3 h),但在進(jìn)行壓蒸試驗時,不是采用GB/T 750—1992中規(guī)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(xué)合理地適當(dāng)提高M(jìn)gO的極限摻量。然后,根據(jù)壓蒸試驗結(jié)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(yīng)的MgO摻量作為混凝土中MgO的極限摻量。廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 703—2010《外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術(shù)導(dǎo)則》和貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)DB52/T 720—2010《全壩外摻氧化鎂混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》中都規(guī)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(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中很快水化完畢,以便在短時間內(nèi)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(chǎn)生延遲性微膨脹,主要的膨脹量發(fā)生在1 a齡期內(nèi),長期膨脹變形總是趨于穩(wěn)定,在齡期4～10 a后膨脹變形基本穩(wěn)定[10-14];外摻MgO混凝土的延遲微膨脹可以補(bǔ)償水工大體積混凝土因溫降產(chǎn)生的體積收縮,從而簡化混凝土的溫控措施,加快施工進(jìn)度,節(jié)省工程投資,降低維護(hù)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(dá)到設(shè)計期望值,MgO混凝土筑壩技術(shù)的優(yōu)越性未得到充分發(fā)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(guān)聯(lián)性如何,引起了科技人員的思考和對推廣應(yīng)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(guān)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(xù)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(guān)聯(lián)性,并期望對促進(jìn)MgO混凝土的推廣應(yīng)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(nèi)含2.47%MgO，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.5%，比表面積為355 m2/kg，安定性合格,質(zhì)量符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn);試驗所用粉煤灰的細(xì)度為15.6%，燒失量為4.12%，需水量比為94.8%,達(dá)到DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的F類Ⅱ級灰標(biāo)準(zhǔn);砂料為貴州某水電站工地的石灰?guī)r人工砂,細(xì)度模數(shù)為2.45,顆粒級配屬于Ⅱ區(qū),級配良好;粗骨料由工地采用石灰?guī)r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(zhì)均滿足DL/T 5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》的要求;外加劑為高效減水劑FDN,其品質(zhì)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn);外摻MgO的化學(xué)成分和物理性能如表1所示,符合水工混凝土專用MgO的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 外摻MgO化學(xué)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(diào)節(jié)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(shù)據(jù)的分析處理,參照GB/T 750—1992、DB52/T 720—2010進(jìn)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(tài)為基準(zhǔn),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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)72 h,然后脫模,接著放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內(nèi)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(xù)放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內(nèi)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(nèi)壓力下降至0.1 MPa后排放釜內(nèi)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(nèi)降至室溫,接著取出試件放入溫度為(20±2)℃的恒溫室內(nèi)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(yǎng)護(hù)、測試等,按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進(jìn)行?；炷涟韬屯戤吅?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(nèi)(試件桶內(nèi)壁墊有厚度為2～3 mm的橡皮板),并在每個試件的中部埋設(shè)一支差動式電阻應(yīng)變計。密封后的試件放置在溫度為(20±2)℃的實驗室內(nèi)。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(chǎn)的AutoPore IV 9520型壓汞儀,電鏡掃描及能譜分析采用日本生產(chǎn)的JSM-6490LV掃描電子顯微鏡和英國牛津生產(chǎn)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(dāng)水泥砂漿和一級配混凝土的MgO摻量分別達(dá)到6.6%和7.0%時,曲線出現(xiàn)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(fā)現(xiàn),當(dāng)水泥砂漿和一級配混凝土的MgO摻量分別達(dá)到7.0%和7.5%時,壓蒸后的試件已出現(xiàn)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(jìn)行了長達(dá)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(xiàn)象水泥基材料壓蒸膨脹變形那樣急劇增大的現(xiàn)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(xù)6 a的壓汞檢測結(jié)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(fā)現(xiàn)因MgO的水化產(chǎn)物膨脹引起的混凝土微細(xì)裂紋。

圖5 齡期6 a的CL46混凝土芯樣電鏡掃描結(jié)果

圖6 齡期6 a的CL46混凝土芯樣X射線能譜

產(chǎn)生以上現(xiàn)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(huán)境中發(fā)生快速水化膨脹反應(yīng)的同時,破壞了水泥砂漿試件和一級配混凝土試件的結(jié)構(gòu),削弱了水泥石和水泥石與骨料膠結(jié)界面的強(qiáng)度,降低了約束試件膨脹的黏結(jié)力,夸大了MgO自身的膨脹量,即當(dāng)MgO摻量超過一定值后出現(xiàn)的壓蒸試件翹曲現(xiàn)象,不完全是由于MgO自身的膨脹造成,還有高溫高壓環(huán)境造成的試件內(nèi)部顆粒之間的黏結(jié)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(guī)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(qiáng)。此外,由于外摻MgO混凝土的膨脹,實質(zhì)上是外摻MgO水泥漿體結(jié)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(guān)鍵是,水泥砂漿和一級配混凝土試件單位體積內(nèi)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(jié) 論

長達(dá)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(xiàn)象水泥基材料壓蒸膨脹變形那樣急劇增大的現(xiàn)象,且在MgO外摻量達(dá)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(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)性或?qū)?yīng)性。換言之,現(xiàn)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(yùn)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(xiàn)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(jìn)一步研究和創(chuàng)新。

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