关于对混凝土压蒸安定性试验若干影响因素的研究

李晓勇，李万军，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;2.四川省水利水电勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

大量研究与实践表明，压蒸试验是检验外掺MgO混凝土体积安定性的唯一方法［1－2］。外掺MgO的安定性不仅是一项质量技术指标，而且也是必须满足的工程使用条件。所以全面研究外掺MgO混凝土体积的安定性就一直是工程界十分关注的问题，尤其是要知道有哪些主要因素影响压蒸膨胀率的试验结果，其变化规律和影响程度如何，这些都是要经过大量基础研究才能回答的问题。对于这方面的系统研究迄今尚未见报道。故此，广东省水利厅(2000－21)科研课题，对外掺MgO水泥砂浆和混凝土试体压蒸膨胀率的诸多(18种)影响因素进行了较全面系统地研究，取得丰硕成果，并已将部分成果陆续发表［3～8］。再汇集本文研究结果，可全面把握各种影响因素的基本属性。

2 试验条件和方法

2.1 原材料

(1)水泥:云浮金鹰牌42.5PⅡ硅酸盐水泥;

(2)粉煤灰:黄埔热电厂产的Ⅱ级粉煤灰;

(3)外加剂:浙江龙游外加剂厂产的ZB－1A高效减水剂;

(4)MgO膨胀剂:海城东方滑镁公司生产的粉状MgO，(相关物化指标见表1);

(5)粗细集料:长沙花岗岩加工的一级配小石子，细料为天然河砂和标准砂两种。

2.2 配合比

(1)水泥砂浆:标准砂的水灰比(W∕C)为0.50、灰砂比(C∕ S)为1∶3，工程砂的 W ∕ C=0.49、C∕ S=1∶2.76，掺粉煤灰30%，分掺与不掺外加剂等;

(2)一级配混凝土配合比:标准砂及工程砂的胶材为309kg∕m3，砂率40%，掺粉煤灰30%，ZB－1A掺0.6%，水灰比及灰砂比与砂浆配比相同。

2.3 试验条件与方法

(1)试件尺寸:砂浆试件 30mm×30mm×280mm，一级配混凝土试件 55mm×55mm×280mm;

(2)基础试验用新标准砂，采用干筛法制作试件，并用预热法养护;

(3)试验方法:执行SD105－82《水工混凝土试验规程》规定，压蒸参照GB∕T750－92《水泥压蒸安定性试验方法》进行。

3 对影响压蒸膨胀率的若干因素的试验研究

3.1 MgO膨胀剂的活性与细度对压蒸膨胀率P的影响

按试验条件和原材料，用标准砂和长沙工程砂分别制作砂浆和混凝土试体，研究不同活性和细度的A样及B样两种MgO材料的膨胀性能，同时比较将A、B两个样分别筛分后制成细度均为300目的Ac及Bc样，在相同试验条件下它们的压蒸试验结果见表2。

表1 氧化镁膨胀材料的化学成分及相关物化指标 %

表2 氧化镁材料的活性与细度对压蒸膨胀率的影响

从表2结果可知，在相同养护与试验条件下，外掺MgO水泥砂浆和混凝土试体的压蒸膨胀率都是活性指标高的(B样)大于活性指标低的(A样)。大量研究表明，活性指标大小是反映方镁石煅烧温度高低的标志性指标，其实质是反映方镁石活性高低和水化快慢的综合性质量总指标(方镁石的活性与其活性指标的关系是成反比的)，是质量评定标准之－。可见表中B样的煅烧温度是高于A样的，所以B样的活性指标大，它的压蒸膨胀率也大，反之则小，符合－般规律。据文献［9］对煅烧温度和活性指标不同的D、E两个方镁石试样的研究结果表明，煅烧温度高的E样的活性指标大，掺有3%E样的水泥净浆试体的压蒸膨胀率也大(即E样的P为0.274%、D样的P为0.236%)，然而它早期的水化较慢，因此水泥净浆试体早期的膨胀变形率也就比掺煅烧温度低的D样小(即E样30d的膨胀率为0.152%、D样为0.181%)，全过程的膨胀变形率也比D样小。另据文献［10］的研究结果也可得出相同的规律(见表3)。

从表2中Ac、Bc两个试样的试验结果看出，方镁石的细度对压蒸膨胀率的影响是很大的。如在相同试验条件下，掺8%A样的P为0.484%，而Ac样的P为0.109%，前者为后者的4.44倍;对于相同细度时的结果，是Bc样的P大于Ac样的。大量研究表明，方镁石的颗粒细度与晶体尺寸对压蒸膨胀率和膨胀变形率的影响也是很大的。方镁石的颗粒越细，它掺入水泥净浆、砂浆和混凝土试体的压蒸膨胀率就越小;同样各试体的膨胀变形率也小，并会使膨胀变形过程较早地结束。这就说明MgO膨胀材料的细度不宜过细，一般方镁石的细度以250～180目为宜。另外研究［11］表明，方镁石晶体尺寸的大小直接影响各种试体的压蒸膨胀率和膨胀变形率的大小。煅烧过程中的保温时间和试体养护时间的长短又直接影响到方镁石结晶体尺寸的大小。这些基本规律在生产实践中是值得注意的。

3.2 干湿筛法成型对不同级配混凝土压蒸膨胀率的影响

试验条件:

(1)试件尺寸:Ⅱ级配混凝土:100mm×100mm×250mm，Ⅲ级配混凝土:φ244mm ×280mm;

(2)干筛法:该法试验成型的振捣时间一般以25～30s为宜。

表3 氧化镁的煅烧温度与活性指标及膨胀性能的关系

现将干湿筛法成型的掺不同MgO混凝土试体的压蒸试验结果列入表4。

表4中所谓湿筛法成型，即是将外掺5﹪MgO的Ⅲ级配混凝土C3拌和物湿筛成Ⅱ级配C2、Ⅰ级配C1和砂浆S之后才成型的各级配试件。从试验结果可知，采用湿筛法成型的各级配的P是依次减小的，即Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级和砂浆试体的P分别为0.214%、0.175%、0.158%和0.129%。这表明Ⅲ级配混凝土的P最大，湿筛Ⅱ级和Ⅰ级配的次之，砂浆的最小。它们的排序关系，即是PC3＞PC2＞PC1＞PS。这是因为用湿筛法成型各级配混凝土试体时，依次筛除了大于各级配混凝土中不同粒径的石子，石子粘走了一部分MgO水泥砂浆体，级配越小粘走得越多，致使混凝土级配发生了变化。若比较湿筛法筛分后各级配试体中的灰砂比和砂率，Ⅱ级配混凝土的灰砂比最大、砂率最小，Ⅰ级配的灰砂比和砂率次之，砂浆的灰砂比最小、砂率却最大。尽管湿筛砂浆试体中的砂浆含量都比Ⅰ级和Ⅱ级配混凝土的大，但因灰砂比最小，所以MgO(即MgO水泥浆体)的总的含量减少，因而砂浆试体的压蒸膨胀率为最小。这说明湿筛法不适合于用来成型压蒸试体。

表4 干湿筛法成型对不同级配混凝土压蒸膨胀率的影响

将干筛法与湿筛法比较，其优点在于不改变各级配混凝土的材料组成配合比，即胶材用量、砂率、灰砂比、MgO掺量的实际用量都不会在成型过程中发生变化。表4列出了干筛法各级配在正常胶材用量条件下的试验结果，即根据Ⅲ级配混凝土的材材组成来模拟Ⅱ级和Ⅰ级配的材材用量(各级配的单位胶材和砂率见表中数据)、外掺MgO为6%的试验结果。从表中结果可知，各级配的P是随混凝土的胶材用量减少和砂率的减小而减小。因为在常规级配变化条件下，各种级配的胶材用量、砂率、MgO膨胀源的结构组成差别较大，级配越小胶材用量越多，当MgO掺率相同时，MgO的绝对含量就越高，况且这些都是影响压蒸膨胀率的主要因素，所以各级配混凝土试体P的大小顺序是:PS＞PC1＞PC2＞PC3。这与湿筛法的结果恰好相反。这也表明，目前在工程实践中，用工程材料并采用干筛法成型Ⅰ级配混凝土试体的压蒸试验结果来评价安定性的方法是偏于安全的，该方法合理，符合工程实际。

3.3 不同试验养护条件对压蒸膨胀率的影响

粗、细集料的质量与试验条件对压蒸膨胀率的影响的各项试验结果列于表5中。

从成果表5可知，表中两组砂浆试体经沸煮结束后分别置于冷水(指常温20℃)和热水(所谓热水是指试件经过沸煮3h结束(断电)后，试件仍留在沸煮水箱热水中养护－简称预热处理法)中养护，约养护1d后(余温约50℃)至第2d取出做压蒸试验。从两种养护条件的多组对比试验结果看，在高温热水养护下能提高试体的强度、降低压蒸膨胀率，即拉压强度比常温20℃的分别平均提高了37.5%和38.4﹪。试体强度对压蒸膨胀率的影响较大，如外掺MgO为6% ～8.5%时，其P的降低范围在41.4% ～74.4%之间，平均下降了65.8%。试验结果表明，高温热水养护能加速水泥的水化作用，提高水泥砂浆基体的强度(一般可提高30% ～40%)，可大大增强压蒸试体约束及抵御膨胀的能力，因而较大地降低了压蒸膨胀率(至少可降低40% ～50%)。这种预热处理方法既符合水泥水化反应的实际变化过程［2］，又是提高外掺MgO混凝土试体强度的最关键的有效措施，值得推广。可以认为，这是对压蒸试验方法的重大改进与提高，也更符合工程实际。

表5 粗、细集料质量与试验条件对压蒸试验结果的影响

3.4 砂的种类与不同细度模数对压蒸膨胀率的影响

从表5可见，在相同试验条件下，不同种类砂和不同FM的外掺MgO水泥砂浆试体的P是不相同的，在5种砂中新标砂试体的强度高，压蒸膨胀率小。所反映P的大小顺序是:坝美砂＞长沙砂＞天然河砂＞旧标准砂＞新标准砂。若将相同细度模数(FM=2.3)的比较，也是新标准砂的比天然河砂的P值小。坝美河砂(灰岩)3个不同FM的MgO水泥砂浆试体的P随着FM的增大而增大，但它们经压蒸后的强度却相差不大。这说明砂的品质与细度模数对P的影响较大。当砂的FM小时，小于孔径0.16mm以下的细粉含量多，而比表面积就大，在相同MgO掺量时，MgO在细砂中比在粗砂中更为分散，减弱了MgO的膨胀作用，故P就小;反之，粗砂浆试体的强度虽然稍高，但P却较大，这是因为在粗砂颗粒间聚集较多MgO水泥浆体和液相碱度提高所致结果。

3.5 不同粉煤灰掺量对压蒸膨胀率的影响

材料的不同配比组成对压蒸膨胀率的影响的各项试验结果汇总于表6中。

从表6可以看出，在相同试验条件下，掺MgO为8%、粉煤灰F掺量变化于20% ～60%的6组水泥砂浆试体的P是随着F掺量的增加而减小的，即P从0.512%～0.212%，试体压蒸后的抗压强度则依次增大(40.0～58.5MPa)。当F掺量由20% ～35%时，P分别为0.512%、0.484%、0.481%，3组相差很小;当F掺量由40% ～60%时，P则迅速降至0.224%、0.216%、0.212%，3组相差更小。试验结果表明，在这两个粉煤灰掺量范围内，压蒸膨胀率的变化是不大的。因此，可以认为，当F的掺量在一定区间范围内，P变化很小，当其超过某一掺量(如35%)时，压蒸膨胀率会发生较大的突降现象，再继续增加F掺量时，相应P的变化又会比较小。这说明外掺MgO水泥砂浆试体的压蒸膨胀率与粉煤灰掺量35% ～40%之间的相应关系，有一个近似于阶梯形的突降变化。此规律在做沙牌、铜头和长沙工程大坝混凝土的自生体积变形试验时已经发现了这一现象。当粉煤灰掺量在35%以内时;其自生体积膨胀变形稍有增大趋势;当粉煤灰掺量达到40%以及其后继续增加粉煤灰掺量时才对自生体积膨胀变形有减小的影响。该规律通过压蒸试验得到了更进一步的验证。因此，工程界在研究或考虑粉煤灰掺量时应注意这一规律所产生的影响。

3.6 不同水灰比对压蒸膨胀率的影响

从表6可以看出，在灰砂比固定为1∶3的相同试验条件下，掺MgO为7%、水灰比变化于0.45～0.65的5组水泥砂浆试体的P是随着水灰比的增大而增大(0.104% ～0.144%)，试体压蒸后的抗压强度却是依次降低的，可见对应规律理想。水灰比与强度的关糸，通常是水灰比大的抗压强度低。当水灰比由0.45增至 0.65时，试体强度则从59.6MPa降至33.0MPa，强度降低了44.6%;而 P由0.104%增至0.144%，则增大了38.5%。试验结果表明，砂浆压蒸试体在相同灰砂比时，水灰比的变化对其压蒸膨胀率的影响不大;当水灰比较小时，试体强度高，压蒸膨胀率小;如果是相同水灰比时，灰砂比对压蒸膨胀率的影响却很大，因为灰砂比值越大(即膨胀源的总量多)，压蒸膨胀率也越大。

表6 材料的不同配比组成对压蒸试验结果的影响

3.7 不同灰砂比对压蒸膨胀率的影响

从表6可见，在相同试验条件下，掺MgO 7%、灰砂比变化于0.286～0.500的4组水泥砂浆试体的P随灰砂比的增大而增大(0.098% ～2.126%)，试体压蒸后的拉压强度均随灰砂比的减小而增大。当灰砂比为0.50时的P为2.126%，其拉压强度分别为2.55MPa和24.0MPa;当灰砂比为0.286时的P为 0.098%，拉压强度则分别为 6.36MPa和49.5MPa。若将两个灰砂比的结果进行比较，前者的P是后者的21.7倍，后者的拉压强度则分别为前者的2.49倍和2.06倍。这说明外掺MgO水泥砂浆试体中的灰砂比是影响压蒸膨胀率的重要因素，P值的变化很大。同时表明，单位体积中MgO的总含量高，其压蒸膨胀率大，而力学强度则低。另外，灰砂比大，反映单位体积中的胶材总量多，即MgO水泥浆体多而相对碱度也高(碱能促进膨胀［8］)，所以其压蒸膨胀率也就大。

3.8 不同含砂率对压蒸膨胀率的影响

从表6可知，试验全部采用长沙工程材料、外掺MgO为6%、胶材为309kg/m3、砂率变化于100%～35%的5组一级配混疑土的压蒸膨胀率随砂率的增大而增大。如砂率为(25%)35%、45%和75%时，相对应的混凝土的压蒸膨胀率则分别为(0.108%)0.112%、0.116%和0.174%。结果说明，砂率对压蒸膨胀率有一定影响。在正常混凝土级配变化范围内，砂率对压蒸膨胀率的影响不显著，当砂率过大时其影响可能会大些。

3.9 不同含石率对压蒸膨胀率的影响

从表6可知，试验采用长沙材料，外掺 MgO 6%、胶材用量为309kg∕m3、含石率变化于25% ～70%，在成型时以Sr与Gr之和为100%来控制试体的变化。当Gr增大时Sr就减小，单位胶材用量固定不变，灰砂比增大，所以试体的压蒸膨胀率会增大。从该结果可以看出，当含石率 Gr为25%、40%、55%、70%时，相应的灰砂比为0.217、0.271、0.362、0.541，对应混凝土试体的压蒸膨胀率分别为0.088%、0.091%、0.116%、0.392%。压蒸后试体的抗拉强度依次为(6.18、5.70、5.03、4.21)MPa。这里所反映的规律和对应关系是很理想的。虽然石料增多，砂用量减少，因为灰砂比增大较多，所以混凝土试体的压蒸膨胀率也增大较多。这再次说明了，灰砂比确实是压蒸试验中最重要的影响因素。

4 结束语

通过对用标准砂和长沙工程砂制作的外掺MgO水泥砂浆和混凝土试体的压蒸安定性试验，研究了胶凝材料与膨胀剂掺合料、不同配合比的材料组成、成型工艺与预热处理、粗细集料的质量与不同试验条件等对压蒸膨胀率的影响;阐明了各种影响因素对压蒸膨胀率的不同影响程度和具有普遍意义的基本规律性，同时也对其本质进行了微观结构分析。这对工程实践应用和发展外掺MgO混凝土筑坝技术具有重要实际意义，同时也可供同行作进一步深入研究借鉴和参考。

［1］李承木，李万军，陈学茂.MgO混凝土自生体积变形与压蒸膨胀值的相关性［J］.水利水电科技进展，2007(6):13－17.

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

［3］李晓勇，李承木.水泥品种及不同掺合料对压蒸膨胀率的影响［J］.广东水利水电，2009(11):1－4.

［4］李晓勇，陈学茂，李承木.掺外加剂对MgO水泥砂浆和混凝土压蒸膨胀率的影响［J］.水电站设计，2010(2):67－70.

［5］李晓勇，李万军，李承木.压蒸试验中的试件尺寸对压蒸膨胀值的影响［J］.混凝土坝技术，2009(2):65－69.

［6］李万军，李晓勇，陈学茂，李承木.外掺MgO混凝土压蒸安定性试验方法的探讨［J］.水电站设计，2010(1):67－71.

［7］李承木，李万军，陈学茂.混凝土级配与集料粒径对压蒸膨胀率的影响［J］.水力发电，2009(4):38－41.

［8］李承木，李晓勇，陈学茂.压蒸条件对外掺MgO水泥砂浆和混凝土压蒸膨胀率的影响［J］.水利水电科技进展，2009(5):24－28.

［9］崔雪华，刘峥，邓敏，唐明述.氧化镁延迟性膨胀水泥的膨胀规律及其影响因素［R］.南京:南京化工学院，1989.

［10］袁美栖.氧化镁延迟性膨胀水泥的研制［R］.南京:南京化工学院硅工系，1985.

［11］邓敏.新型MgO质膨胀材料的制备与性能［R］.南京工业大学，中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2002年9月.

［12］邓敏，崔雪华，唐明述.水泥中氧化镁的膨胀机理［R］.南京:南京化工学院，1989年9月.