掺外加剂对 MgO水泥砂浆和混凝土压蒸膨胀率的影响

李晓勇,陈学茂,李承木

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所,四川 成都 610072;2.贵州中水建设项目管理公司,贵州 贵阳 550002)

1 前 言

我国的外加剂已有近200种,已被广泛用于混凝土工程中。我国规划设计部门已把混凝土外加剂视为混凝土的第五种必要的组成材料。掺外加剂可使混凝土用水量减少10%～40%,外加剂是配制高品质混凝土及超高强混凝土不可缺少的材料。采用混凝土外加剂是节约水泥、减少温度裂缝、提高耐久性能、降低工程造价的有效措施,同时也是提高混凝士质量、改善混凝土性能、加快施工速度、改革施工工艺的重要途径。在我国水电行业一般多采用复合萘系高效减水型外加剂,减水率可达到20%以上,其技术经济效益十分显著。为了探索不同品种外加剂对压蒸膨胀率的影响及规律,本文特对用标准砂和工程砂制作的外掺 MgO水泥砂浆和混凝士掺不同品种外加剂和掺与不掺外加剂的试体进行压蒸试验研究[1-2],通过试验发现并揭示其基本规律以及相容性。这对制定压蒸安定性试验方法,真实可靠地解决工程实际问题具有十分重要的现实意义。

2 试验条件与方法

2.1 原材料

(1)水泥:三江和云浮水泥厂生产的 32.5普通水泥和 42.5PⅡ硅酸盐水泥。

(2)粉煤灰:黄埔热电厂生产的Ⅱ级粉媒灰。

(3)外加剂:广州海力新材料公司生产的 GCli-3K 1木钙减水剂、浙江龙游厂生产的 ZB-1A荼系高效减水剂。

(4)氧化镁膨胀剂:辽宁海城东方滑镁公司生产的粉状 MgO,细度 180目,活性指标 244s,MgO含量大于92%。

2.2 试验条件和方法

(1)Ⅰ级配混凝土骨料:采用坝美工程灰岩和长沙花岗岩加工成的(5～20mm)小石子;细料为天然河砂与标准砂两种,砂率 42%,单位胶材为 309kg/m3。

(2)试体尺寸:砂浆试体为:30mm×30mm×280mm;Ⅰ级配混凝士为:55mm×55mm×280mm。

(3)试验方法:按照 SD105-82《水工混凝土试验规程》有关规定进行;压蒸试验参照 GB/T750-92《水泥压蒸安定性试验方法》进行。

3 掺不同外加剂对水泥砂浆和混凝土压蒸试验结果的影响

试验采用坝美工程材料,水泥为三江利达多牌32.5普通水泥,不掺粉煤灰,外加剂 GCli-3k1掺1.5%、ZB-1A掺 0.6%,细料为标准砂和工程河砂,水灰比为 0.50,灰砂比为 1∶3,并考虑外加剂的减水效应,试验结果见表1。

表1 掺不同外加剂的水泥砂浆和混凝土试体的压蒸试验结果

3.1 外掺MgO水泥砂浆试体掺不同外加剂的压蒸试验结果

外掺 MgO为 5.5%和 7.5%的砂浆试体的压蒸试验结果见表1。从表1可见,无论是标准砂还是工程砂的砂浆试体压蒸试验结果都是:掺外加剂GCli-3k1的压蒸膨胀率最大,掺 ZB-1A的次之,不掺外加剂的最小。如掺 MgO为 7.5%的标准砂和工程砂试体,对应两种不同外加剂的压蒸膨胀率依次分别为 1.551%、0.719%、0.257%和 2.081%、1.784%、0.613%。同时还可看出,工程砂试体的压蒸膨胀率都大于标准砂的膨胀率。再考虑外加剂的减水作用即减水 10%后,掺外加剂 ZB-1A的膨胀率由 0.719%减至 0.581%,掺 GCli-3K1的由1.551%减至 0.712%,压蒸膨胀率减小达 20%～50%,但仍比不掺外加剂的大 1.5倍～2.0倍。当MgO掺量较小如 5.5%时,掺外加剂对砂浆试体膨胀率的影响较小,减水后掺与不掺的膨胀率相差不大;当 MgO掺量较大为 7.5%时,膨胀率较大,尤其在膨胀率超过 0.5%标准之后,外加剂对砂浆膨胀率的影响更大,即减水后的膨胀率仍然相差较大。这说明砂浆试体不掺外加剂的压蒸试验结果才是比较真实的。这是因为,当掺入高效减水型外加剂后,改善了继续充分水化的条件,使水泥砂浆体变稀,微细小气泡增多,总的含气量增加,在振动成型时易产生分层离析,而气泡又不易排出,从而降低了砂浆试体的均匀性、密实性和强度,致使掺外加剂的砂浆试体的压蒸膨胀率增大。

表1中的强度试验结果表明,基本上都是强度高的压蒸膨胀率小,反之则大,反映出试体强度与压蒸膨胀率成反比的一般规律。此外,外加剂的种类很多,化学成分不同,它们的作用机理不完全相同,它们的活化性能、引气能力、扩散作用强弱、减水率大小、对强度的影响也不同,所以掺不同品种外加剂对压蒸膨胀率的影响是不同的。何况外加剂与胶凝材料都存在相容性试验选择问题。

例如,掺入复合型高效缓凝减水剂,它由三种成分组成:(1)减水成分最常用的是萘系高效减水剂,如 FDN、ZB-1A等。(2)引气成分常用的是松香热聚物 AE引气剂,以提高耐久性能。(3)缓凝成分都有较好的适应性,按化学物质分为有机和无机两类:有机类的主要是一些含有多羟基的能与 Ca2+形成不稳定络合物的易被水泥吸附的大分子量化合物,吸附层越厚越紧密,缓凝作用效果越显著,如木钙(MG)、糖钙(TG)、糖蜜 (PT)和多羟基羧酸盐等。各种糖都具有很强的缓凝作用,掺量为 0.2%时,初凝时间巳超过 9h。(MG、TG)缓凝剂对混凝土初强的影响明显,显然也会影响压蒸膨胀率,其影响比减水型还大。无机类的是一些能与水泥中的C3A和水泥水化生成的 Ca2+形成类似钙矾石的难溶钙盐络合物,并包裹水泥颗粒阻止水泥水化的简单化学成品,如硼酸盐和磷酸盐等。

3.2 外掺MgO混凝土试体掺外加剂并比较减水后的压蒸试验结果

试验采用坝美工程材料,比较掺与不掺外加剂以及考虑减水作用三种情况。掺 GCli-3K 1外加剂 1.5%,减水 10%,水灰比为 0.5,灰砂比 1∶3,分别以标准砂和工程河砂成型Ⅰ级配混凝土试体,外掺 MgO为 7.5%的压蒸试验结果见表1。

从表1可知,混凝土试体的压蒸膨胀率是掺外加剂的小,不掺的大;考虑外加剂减水效应的压蒸膨胀率小,不考虑减水的稍大。在相同试验条件下,工程砂混凝土试体的压蒸膨胀率大于标准砂的膨胀率。同时还可看出,混凝土试体压蒸膨胀率的变化较小,掺与不掺外加剂的压蒸膨胀率相差不大,比砂浆试体压蒸膨胀率的变化小得多。总之,大量实践说明,混凝土试验应该采用加外加剂成型试体,并考虑外加剂的减水效应,所做压蒸试验的结果才是真实的,也才符合工程实际情况。

微观研究表明,没掺外加剂的混凝土的各种生料加水拌和后,水泥颗粒立即被水膜包裹,其矿物由表及里开始水解水化,同时水化生成物逐渐凝聚,其凝聚力远大于水对水泥颗粒内部的浸润能力,对水化、水解作用产生阻滞作用。新生物环绕在水泥颗粒周围,致使其内部形成没有水化的“核”,从而缩小了其水化面积和水化深度。当掺入高效减水型外加剂后,因吸附阴离子而带有负电,使其周围的水产生极性,同性离子相斥,阻止了水泥相邻离子的相互接近,引起分散和分离效果,从而提高了水泥颗粒的吸附和扩散作用,抑制了水泥浆体的凝聚倾向,增大了水泥颗粒与水的接触面积,使水泥得以继续充分水化。并在扩散的过程中,同时释放出了凝聚体所包围的游离水,这时水泥浆由网状凝聚结构变成溶胶结构物,故此,水泥砂浆体变稀,混凝土的流动性增大,骨料间的润化性能提高,摩阻力减小,在混凝土振动成型时容易振捣密实,因而提高了混疑士试体的强度,增强了试体抵御及约束膨胀的能力,所以其压蒸膨胀率减小了。况且这种关系在表1中的强度试验结果得到了证明。

4 外掺 MgO水泥砂浆和混凝士试体掺与不掺外加剂的压蒸试验结果

试验采用长沙工程材料,云浮金鹰牌 42.5PⅡ硅酸盐水泥,掺黄埔粉煤灰 30%,外加剂 ZB-1A掺 0.6%,标准砂和工程砂的水胶比分别为 0.50和0.49、灰砂比分别为 1∶3和 1∶2.76,以掺外加剂与不掺两种情况成型砂浆和混凝土试体做压蒸试验。

4.1 外掺 MgO水泥砂浆试体掺与不掺外加剂的压蒸试验结果(见表2)

由表2可见,无论是标准砂还是工程砂试体的压蒸膨胀率都随 MgO掺量的增加而增大,且压蒸膨胀率都是掺外加剂的大于不掺外加剂的。当MgO掺量较少如标准砂掺 6%、工程砂掺 5%时,砂浆试体掺与不掺外加剂的压蒸膨胀率相差不大;当MgO掺量较大,超过 5%或 6%时,砂浆试体掺比不掺外加剂的压蒸膨胀率大 1倍以上。相对压蒸安定性合格标准 0.5%的 MgO的极限掺量:标准砂和工程砂试体掺与不掺外加剂 MgO的极限掺量分别为7.25%、8.05%和 6.00%、7.10%。这表明在相同试验条件下,标准砂浆试体 MgO的极限掺量大于工程砂,两者之差在 1%左右。强度试验表明,无论是标准砂还是工程砂浆试体,在不同 MgO掺量下的抗拉及抗压强度,都是掺外加剂的小于不掺外加剂的。这是因为掺外加剂的压蒸膨胀率大,不掺的膨胀率小。这再次说明了试体强度与膨胀率成反比的规律。另外还可看出,在 MgO的最大极限掺量范围内的拉、压强度的变化较小,且值是比较接近的;一但超过此值范围,其值下降较大,差值也大。

4.2 外掺 MgO混凝土试体掺与不掺外加剂的压蒸试验结果(见表3)

从表3可知,采用标准砂和长沙工程河砂制作的Ⅰ级配混凝土试体的压蒸试验的基本规律是:压蒸膨胀率都是随着 M gO掺量的增加而增大;掺外加剂的压蒸膨胀率都小于不掺外加剂的膨胀率,而且两者的膨胀率比较接近,相差不大。对应压蒸安定性试验标准 0.5%的 MgO的最大极限掺量:掺外加剂的稍大于不掺外加剂的,标准砂混凝土试体的大于工程砂试体,即标准砂混凝土试体掺与不掺外加剂的极限掺量分别为 8.75%和 8.60%,而工程砂试体的分别为 6.80%和 6.50%,两者的差值都在2%以内。表3中的强度试验表明,混凝土试体压蒸试验后的抗压、抗拉强度都是掺外加剂的稍高于不掺的,标准砂制作的混凝土试体的强度大于工程砂的。总之,随着 MgO掺量的增加而强度的波动变化较小,在 MgO的极限掺量范围内与不掺 MgO的比较,其强度还有所提高,一般可提高 10%以上[3]。

表2 外掺不同 MgO的砂浆试体掺与不掺外加剂的压蒸试验结果

表3 不同M gO掺量的混凝土试体掺与不掺外加剂的压蒸试验结果

5 结束语

通过对采用标准砂和工程砂制作的外掺 MgO水泥砂浆和混凝土试体掺不同品种外加剂和掺与不掺外加剂试体的压蒸试验研究表明,掺不同品种外加剂对砂浆和混凝土试体压蒸膨胀率的影响是不同的,其中缓凝类型对压蒸膨胀率的影响比减水型的大。同时阐明了压蒸膨胀率的基本规律:即砂浆试体掺外加剂的比不掺的大,其压蒸膨胀率的变化也较大,两者的极限掺量相差在1%左右;混凝土试体掺外加剂的比不掺的小,其压蒸膨胀率的变化较小,两者的极限掺量接近。然而,混凝土试体的压蒸膨胀率都比砂浆试体的小;标准砂试体的压蒸膨胀率又比工程砂的小,其极限掺量却比工程砂的大。试验结果还表明,凡是压蒸后试体的强度高的,其压蒸膨胀率就小,反之则大。这符合试体强度与压蒸膨胀率成反比的一般规律。笔者建议:在用工程材料做压蒸试验时,采用砂浆试体时不掺外加剂,若掺外加剂就必须考虑减水作用;采用混疑土试体时一定要掺外加剂。以上这些基本规律可供外掺 MgO混凝土筑坝技术,在制定压蒸安定性试验方法时借鉴或参考。

[1]刘振威.外掺 MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝新技术应用研究成果总报告[R].广东省水利厅,广东省水电设计院,广东省水科院等,广州:广东省水利厅,2005年 2月.

[2]陈理达.外掺 MgO水泥混凝土体积安定性试验研究[R].广州:广东省水利水电科学研究院,2003年 9月.

[3]李承木,陈学茂,李晓勇.关于外掺 MgO混凝土压蒸安定性试验的几个问题[J].广东水利水电,2009(6):1-4.