轻烧MgO补偿收缩混凝土研究与工程应用进展

杨永民,侯维红 ,李兆恒,王立华

(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 510635；2.华南理工大学,广东 广州 510640；3.武汉三源特种建材有限责任公司,湖北 武汉 430000)



轻烧MgO补偿收缩混凝土研究与工程应用进展

杨永民1,2,侯维红3,李兆恒1,2,王立华1

(1.广东省水利水电科学研究院,广东省水利重点科研基地,广东 广州 510635；2.华南理工大学,广东 广州 510640；3.武汉三源特种建材有限责任公司,湖北 武汉 430000)

混凝土中引入一定量的膨胀剂,产生适度膨胀,可有效减小混凝土的收缩变形,减少混凝土开裂风险,从而提高混凝土的耐久性。该文介绍了轻烧MgO膨胀剂以及补偿收缩混凝土的应用研究现状,重点综述了MgO膨胀剂的应用和研究现状。对MgO膨胀剂的制备、含MgO混凝土的膨胀机理、相关性能以及自生体积变形数值模拟的相关研究进展进行了分析和总结。在此基础上,提出MgO自身特性对膨胀变形的影响规律、MgO自身的水化以及MgO在水泥胶凝体系中的水化对含MgO混凝土的变形影响规律、复合其它类型的膨胀剂使MgO膨胀剂的变形规律和普通混凝土的收缩相匹配等方向还需做进一步深入的系统研究。

补偿收缩混凝土；MgO；应用；研究现状；展望

1 补偿收缩混凝土及混凝土膨胀剂

1.1 补偿收缩混凝土简介

混凝土是当今社会最大宗的人造工程材料,是现代经济发展的一个重要的支撑材料。混凝土原料丰富、价格低廉、可就地取材、易成型、耐久性好、性能优异等优点,成为现代工程结构的首选材料并得到了广泛应用[1]。混凝土是一种非均质脆性材料,混凝土在水化硬化过程中均会发生体积收缩,当混凝土的收缩应力大于本身的极限拉应力时,混凝土将产生开裂[3]。混凝土中水泥的水化会释放大量的水化热,由于热量不能快速散发,在混凝土表面和内部将产生拉应力,当拉应力超出混凝土自身的极限抗拉强度时就会出现开裂[2]。有关混凝土的开裂问题是混凝土使用过程中必须面对的问题,在混凝土开裂问题中,80%是混凝土材料受到非荷载应力引起的,其中,混凝土的收缩是引发结构早期开裂最为重要的原因[4]。特别是随着经济及科学技术的发展,出现越来越多的大型建筑物,由于体积庞大,其内外表面温差引起的温度应力问题更显著,由此引发的裂缝问题受到广泛的关注。大体积水泥混凝土防裂的主要技术途径包括：设置结构缝、混凝土浇筑分层、混凝土跳仓施工,控制浇注块的相邻高差等,其中温控措施主要有预冷骨料、布置通水冷却水管、掺冰拌和等,但这些温控措施复杂,增加工期,且温控效果也不理想[5]。

补偿收缩混凝土是指在混凝土中掺入适量膨胀剂或用膨胀水泥配制的混凝土。试验研究及工程应用表明：在混凝土中加入适量的膨胀剂,产生适度体积膨胀,可以有效地减小混凝土的收缩[6]。近几十年来的国内外的工程应用表明,补偿收缩混凝土能够避免或减少开裂风险。因此在很多涉水工程尤其是大体积混凝土中得到大量应用[7]。中国建筑材料科学研究院基于吴中伟院士补偿收缩混凝土的理论[7]提出了补偿收缩混凝土结构自防水、超长结构的无缝设计和施工新方法以及大体积混凝土裂缝控制三大应用技术。

有关补偿收缩混凝土最早追溯到1936年,法国人Lossier研制出一种硫铝酸钙膨胀水泥后,设想用这种水泥制备化学预应力混凝土,但由于控制难度太大,并未推广。1945年,前苏联米哈伊洛夫研制出不透水膨胀水泥,1955年前后,米哈伊洛夫创造出了硅酸盐膨胀-自应力水泥(M型)。1958年,美国人Klein成功研制出硫铝酸钙膨胀水泥(K型水泥)。日本从20世纪60年代开始开发膨胀水泥混凝土,并于1982年颁布了《掺膨胀剂混凝土的配合比设计和施工指南》。

我国于1960年对补偿收缩混凝土进行研究,中国建筑材料科学研究总院率先对膨胀混凝土进行了研究,先后成功研制出硅酸盐膨胀水泥、石膏矾土膨胀水泥、明矾石膨胀水泥、矿渣膨胀水泥、硫铝酸盐膨胀水泥等,并运用到工程中。吴中伟院士在《补偿收缩混凝土》一书中首次提出了补偿收缩的原理和正确的补偿收缩模式,补偿收缩混凝土的设计和如何正确使用,为补偿收缩混凝土的推广起到了重要的作用。赵顺增,游宝坤[8]结前人有关补偿收缩混凝土研究的基础上,提出有关基础理论、材料生产和应用技术3个方面亟待解决的一些问题。GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》和JGJ/T 178—2009《补偿收缩混凝土应用技术导则》两部标准的出台,规范了补偿收缩混凝土的应用技术,促进了补偿收缩混凝土的规范使用与推广使用。

补偿收缩混凝土历经国内外众多学者半个多世纪的潜心研究,以及相关工程成功的推广使用,已经成为水泥基材料科学的一个重要的分支。影响混凝土结构收缩开裂的因素繁多,涉及材料、设计、施工、力学等多个学科,是一个系统难题,补偿收缩混凝土在相当长一段时间内应该还是最具实用性的裂缝控制材料。

1.2 混凝土膨胀剂介绍

现行国家标准《混凝土膨胀剂》(GB 23439—2009)[8]中给出的定义是与水泥、水拌合后经水化反应生成膨胀性产物(如钙矾石、氢氧化钙或钙矾石和氢氧化钙),使混凝土产生体积膨胀的外加剂,简称为混凝土膨胀剂。掺加膨胀剂后,膨胀剂在水化和硬化过程中产生体积膨胀变形,在受钢筋与相邻物质以及结构整体性限制,在结构内建立0.2～0.7 MPa 的膨胀应力,可以有效的抵消混凝土收缩引起的应力；膨胀剂会使延迟混凝土的收缩开裂时间,且随着龄期延长不断增大混凝土的弹性模量及极限抗拉强度[9]。

膨胀剂是在膨胀水泥的基础上发展起来的,最早由法国人H.Lossier于20世纪30年代提出并取得膨胀水泥的专利；美国人在20世纪50～70年代生产出K型、M型及S型膨胀剂水泥；日本是最早提出膨胀剂概念的国家,并于60年代生产出硫铝酸钙膨胀剂(简称CSA)[10]。此后,有关膨胀剂的研究越来越广泛,并相继出现了氧化钙类混凝土膨胀剂、硫铝酸钙-氧化钙类混凝土膨胀剂等多种混凝土膨胀剂。我国关于膨胀剂的研究起步相对较晚,从20世纪70年代开始进行混凝土膨胀剂的研究[6]。我国混凝土膨胀剂的使用发展从开始的高碱高掺,20世纪八九十年代的中碱中掺,到现在的低碱低掺。我国每年使用膨胀剂上百万吨,国内膨胀剂产品很多,应用膨胀剂的工程也很多,但在工程应用中还存在一些问题,有关混凝土膨胀剂的研究仍有待继续深入。

混凝土膨胀剂按化学成分可以分为5类：氧化钙类；硫铝酸钙类；硫铝酸钙-氧化钙类；MgO类；氧化铁类[7]。目前,我国应用广泛的膨胀剂主要是硫铝酸盐类、氧化钙类、硫铝酸盐-氧化钙类3种,MgO类膨胀剂也已经作为一种新兴的膨胀剂日益得到推广应用[8,11]。高培伟[12-15]研究认为,不同品种的膨胀剂补偿收缩效果各不相同；硫铝酸钙类和氧化钙类膨胀剂可有效补偿混凝土的早期收缩,后期会出现回缩现象；轻烧MgO膨胀剂后期膨胀量大,且不会出现回缩现象,其延迟微膨胀效应与混凝土的降温过程匹配良好[16],比较适合补偿大体积混凝土的温缩。MgO 膨胀剂具有需水量少、不需要过多养护、水化产物稳定、可调控设计膨胀过程等特点[17],受到广大研究者的注意与关注。

2 MgO在混凝土中的应用和现状

MgO最早被研究者关注是因为作为水泥中一种不安定性的组分会引起建筑物的损坏。1980年,P.K.Mehta[18]通过掺约5%过烧MgO到水泥中所产生膨胀研究,认为MgO可以作为膨胀剂,利用其水化膨胀所产生的化学应力补偿大体积混凝土温降收缩应力,引起了研究者的注意,此后有关MgO混凝土膨胀剂的研究不断发展。

20世纪70年代,我国白山大坝使用了含MgO量为 4.7%的水泥,未采取特殊温控措施,施工过程中混凝土未发现贯穿性的裂缝,其表面裂缝也很少,多年后仍未出现漏水的现象[19]。此后,研究学者开始关注利用 MgO 延迟膨胀性能补偿混凝土的温度收缩,相关科研院所于1985开始对外掺MgO混凝土开展大量的研究。MgO膨胀剂主要应用于补偿水工大体积混凝土的温降收缩,以简化温控措施,缩短工期,降低温控费用。目前,MgO膨胀剂已经在这些工程包括吉林白山、红石电站,贵州的东风、普定、索风营水电站,广东青溪、飞来峡、坝美水电站,长江三峡水利枢纽二期工程和广西龙滩下游围堰工程等多个水利工程中得到成功的应用[20]。MgO混凝土在水电工程中应用的前景还十分广阔[17],其应用于一般的民用建筑工程的潜力也很大。

3 MgO膨胀剂有关的研究现状

3.1 MgO膨胀剂的制备

MgO最初因其膨胀性而作为水泥中一个不安定的因素而被当做有害成分,后来由P.K.Mehta[18]提出可利用其膨胀性来作为混凝土的膨胀剂,引起人们的重视与研究。研究者通过煅烧菱镁矿制备成外掺使用的MgO膨胀剂。由于MgO膨胀剂的膨胀特点是延迟膨胀,并不能满足所有工程的需要,因此许多学者提出制备复合型的膨胀剂,研究了煅烧白云石、蛇纹石矿物来制备MgO膨胀剂[5,21-24]。相关研究表明[26-27],600 ℃～800 ℃低温下煅烧得到的MgO膨胀剂早期水化速度较快,混凝土硬化早期即可达到很高的膨胀值,利于补偿小型构件收缩变形；在1 000 ℃～1 200 ℃高温下煅烧得到的MgO膨胀剂由于晶体结构致密,水化速度较慢,延迟膨胀效果可以有效的与大体积混凝土的温缩相匹配,可用来补偿大体积混凝土的温降收缩[20]。MgO膨胀剂由于煅烧制度的不同,产生的膨胀效果也是不一样,应根据工程需要,选择合适的MgO制备方法。

3.2 MgO混凝土的膨胀机理

有关MgO的膨胀机理从MgO膨胀剂开始使用之初就已经开始有研究,相关的膨胀机理有：Chatterji[50]提出的晶体生长理论,即结晶态膨胀组分由于晶体生长穿透周围物质而向外生长,当MgO遇水发生水解,形成可溶解的微晶,这些可溶解微晶会继而形成重结晶,并逐渐长大,从而产生了膨胀效应。MgO影响水泥浆体膨胀的动力源于MgO水化产生结晶生长压,影响结晶生长压的主要因素包括Mg(OH)2生成位置、离子溶解度与Mg2+扩散特性；Metha[51-53]等提出吸水肿胀理论,即由于凝胶态膨胀组分吸水体积增大而引起膨胀；此外,还有局部化学反应理论,固相反应理论和进入溶液反应理论等[16]。

目前,普遍认可的是邓敏[54]等提出的关于MgO膨胀剂的膨胀机理,即MgO膨胀剂的直接膨胀驱动能源于Mg(OH)2晶体的肿胀力和结晶压力。在水化早期,Mg(OH)2晶体细小,浆体的膨胀主要因素是吸水肿胀力,随Mg(OH)2晶体的长大,晶体的结晶生长压力转变为膨胀的主要动力。细小的聚集在MgO颗粒表面附近的Mg(OH)2晶体能产生较大的膨胀,而粗大的分散在MgO颗粒周围较大区域内的Mg(OH)2晶体引起的膨胀较小。此外,还解释了粉煤灰可以抑制MgO混凝土的膨胀的机理[34-35]。

3.3 MgO混凝土的相关性能

国内历经20年的变形观测与10多年的力学与变形性能研究[28-32],试验结果表明掺MgO混凝土的自生体积变形长期而言是稳定的。变温条件下随混凝土养护温度升高,MgO仍会继续膨胀产生较大的膨胀变形,但温度降低已产生的膨胀量也不会倒缩[33]。

杨华全等的研究表明在谨慎选择MgO掺量和细度前提下,外掺MgO能显著改善混凝土的干缩、自生体积变形和徐变[36-37]。当MgO掺量超过一定值后,会破坏水泥石与骨料的界面,对混凝土的基本性能产生影响[38]。适量MgO膨胀剂的混凝土物理力学性能有所改善,其耐久性能也有所提高[39]。

体积安定性是MgO混凝土的一个重要性能。因为MgO膨胀剂的膨胀持续时间较长,需采取相应的加速方法快速评价MgO混凝土的安定性。目前,对于MgO混凝土安定性的评估方法尚没有形成统一的标准。压蒸法由于自身的一些缺陷,而受到质疑。莫立武[40]等提出采用80℃水养护掺MgO膨胀剂混凝土的方法进行加速试验,提出综合采用膨胀、抗压和抗折强度作为评定安定性的指标。

3.4 MgO混凝土自生体积变形的数学模型

我国从20世纪70年代开始就已经利用外掺MgO混凝土进行了相关的筑坝工程,有关水工工程中用到外掺MgO混凝土的工程已经很多,积累了大量的变形数据[41]。基于外掺MgO混凝土筑坝技术的推广使用,建立相关的自生体积变形模型,可以为工程的安全、设计提供参考,特别是可以为相关的仿真工程提供计算参数。

朱伯芳提出计算微膨胀混凝土自生体积变形的方法,建立了考虑这一差别的自生体积变形计算模型[41]。在全量型模型的基础上提出了微膨胀混凝土自生体积变形的增量计算模型,考虑到相关影响因素,给出了4种表达式[43]。

杨光华[33,44-45]通过长时间追踪的工程试验数据及相关的室内试验,建立了恒温条件下MgO微膨胀混凝土自生体积变形特性符合双曲线模型,得到恒温条件下外掺MgO自身体积变形与温度及时间的关系；并提出利用当量龄期法计算变温条件下外掺MgO混凝土的变形情况,并与原型观测数据进行比较,确定其可行性。

刘数化[46]等通过相关研究,建立MgO混凝土自生体积变形与MgO掺量,粉煤灰掺量及温度关系的数学模型,为工程的使用及科研研究提供指导与参考作用。刘西军[47]等又提出利用“等效龄期”法计算实际工程中MgO混凝土的自生体积变形。还有许朴[48]等的指数双曲线模型,陈昌礼[49]等的反正切曲线模型,等等。

关于MgO膨胀混凝土的变形模型的研究可以为工程的使用及研究提供参考,有利于仿真模型的建立以及MgO膨胀混凝土的技术发展及推广使用。但是目前尚未形成一个统一的模型标准,有关计算的方法还存在一些争议与疑问,这不利于MgO混凝土技术的推广,需要广大研究者继续深入研究,以及相关使用工程的进一步论证。

3.5 影响MgO混凝土高性能化的材料因素

清华大学苗苗[55]总结出,影响混凝土膨胀剂有效膨胀性能发挥的主要因素为三类自身有关的因素、混凝土有关的因素、外在条件有关的因素。下面主要分析一下影响MgO膨胀剂有效膨胀性能发挥的主要因素。

3.5.1 MgO性能

MgO的活性受多个因素的影响。对MgO烧制过程的研究表明,影响MgO活性的一系列因素均取决于MgO来源矿物的煅烧制度[56]。煅烧温度的高低可以影响反应生成的MgO的晶格大小及内比表面积的大小。低温煅烧时,MgO晶格较大,晶粒之间存在较大的空隙,疏松多孔,MgO反应速度快。高温煅烧时,MgO晶格的尺寸减小,结晶粒子间密实,MgO反应速度慢。即随着煅烧温度的提高,生成的MgO的水化速率变慢[57]。

MgO的细度对混凝土膨胀变形有很大的影响。MgO细度越细,在混凝土中分散均匀,所形成的膨胀力也分散,混凝土整体膨胀变形小；但细颗粒的MgO水化较快,在相同龄期内水化相对充分,混凝土整体的膨胀变形较大[57]。因此,有关MgO的细度对混凝土膨胀性能的影响需根据具体情况分析。此外,在其他因素相同的条件下,混凝土的膨胀量随MgO掺量的增大而增大。

3.5.2 骨料级配

骨料是混凝土组成中占了绝大部分体积的一个重要组成部分,对混凝土的膨胀性能也有较大的影响。李洋[16]根据相关试验结果得出：不同骨料MgO砂浆在不同温度下的膨胀曲线不一致,其膨胀量增长幅度也不同；骨料不同,MgO砂浆混凝土的力学特性也不用,但随龄期的增大其差值会减小；不同骨料,MgO混凝土界面过渡区水化产物类似,但数量和发育程度不同。方坤河[58]等通过实验得到,在相同的MgO掺量和水灰比下,去除40mm骨料后的混凝土,多级配的混凝土早期体积变形量大于单级配的混凝土,但是多级配的混凝土后期体积变形量小于单级配的混凝土。可以看出不同种类骨料对于MgO混凝土的膨胀性能的影响是不同的,相关变形特性及计算模型不能简单套用。

3.5.3 矿物掺合料

粉煤灰作为混凝土中一种重要的掺合料,已经被广泛应用于混凝土中。有关MgO混凝土必须考虑膨胀剂MgO与粉煤灰的相适性。陈昌礼[59]等在相关研究的基础上研究了粉煤灰对掺MgO的一级配、二级配和三级配混凝土的自生体积变形影响试验,结果表明掺入粉煤灰的MgO混凝土早期自生体积变形高于未掺粉煤灰的MgO混凝土,即粉煤灰的掺入不会改变外掺MgO混凝土的延迟膨胀特性,提出了膨胀效果是由于MgO水化产生的膨胀抵消水泥水化产生收缩的综合效果。

3.5.4 水灰比

水灰比是混凝土中的一个重要参数,决定着混凝土的许多力学性能。陈昌礼[60,61]等根据MgO混凝土自生体积变形影响的测试结果得出,外掺MgO掺量相同时,混凝土的自生体积变形总体上随着水灰比的增大而增大。

3.5.5 养护制度

成型后的养护是混凝土性能发展的重要影响因素。李承木[62]在不同养护条件下测定MgO混凝土的自生体积变形,得出MgO掺量相同时,混凝土自生体积变形的膨胀速率及膨胀量均随养护温度的升高而增大的结果。袁明道[33]通过长年跟踪外掺MgO混凝土的变形情况,认为混凝土在恒温条件下3.5年趋于稳定,且单调递增不可逆。变温条件下混凝土养护温度升高,仍会继续膨胀,温度降低不会倒缩。韦润锋[63]等同样得到这样的结果：提高养护温度,可以有效加速MgO的水化。

4 结论与展望

MgO膨胀剂具有需水量少、养护制度要求不高、水化产物稳定、膨胀过程可控,膨胀均匀稳定且不会回缩,其延迟微膨胀效应与混凝土的降温过程匹配良好,适合补偿大体积混凝土的温缩。其成熟利用还需要进一步的研究和完善,主要包括：

1) 从MgO特性角度出发,系统的研究MgO化学性能、粉体粒径以及颗粒级配等对微膨胀混凝土变形性能的研究不多,大部分的工作是针对具体工程应用而进行的研究；

2) 对MgO的水化以及MgO在水泥中的水化还需进行较为系统的研究,以为MgO的膨胀理论提供论证支撑。且现代高性能混凝土发展的必然趋势是复合化,MgO在复合胶凝体系中的水化进程规律和机理也需进一步探明；

3) 骨料在混凝土中占有较大的体积分数,目前骨料对混凝土收缩抑制的研究较多且较为透彻。但对于微膨胀混凝土,骨料是否对膨胀也有抑制作用则需通过试验论证,抑制的规律和机理有待深入研究；

4) 外加剂是现代混凝土材料中不可或缺的第六组份。关于MgO与外加剂的相容性以及各种外加剂对MgO的力学及变形性能的影响规律和机理研究报道较少；

5) MgO与CaO以及石膏膨胀剂的最大不同在于MgO受湿度的影响较小,但受温度的影响较大。目前关于MgO的养护制度研究通常限于恒温养护制度,但实际应用过程中,大坝中水泥水化放热是一个前期升温后期自然冷却降温的过程,即MgO混凝土性能发展所经历的是一个变温场的过程。在变温场的作用下,其力学性能和变形性能发展规律和机理如何,有待进一步探析；

6) 与钙矾石类膨胀剂相比,MgO的特点是受养护湿度影响小,且膨胀主要发生在中后期,而煅烧CaO和石膏的膨胀是早期的膨胀,为了综合调节膨胀混凝土的变形性能,实现适时适宜(变形时机可控,变形量可调),还可以避免养护温度和湿度的影响,所以可以利用膨胀剂的复合协同来综合调控变形性能,实现持续且可调节的膨胀,有很现实意义。

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(本文责任编辑 马克俊)

The research progress and application of concrete shrinkage compensation with Light burnt MgO

Yongmin Yang1,2,Weihong Hou3, Zhaoheng Li1,2, Lihua Wang1

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Provincial Key Scientific Research Base， Guangzhou， 510635；2.South China University of Technology， School of Materials Science and Engineering， Guangzhou， 510640；3.Wuhan Sanyuan special building materials Co., Ltd. Wu Han，430000)

To produce moderate expansion， reduce cracks in concrete created by the shrinkage， and improve the impermeability of concrete， a certain amount of expansive agent is often added into concrete.This paper reviews emphatically preparation of MgO-based expansive agent， related performance of concrete containing light-burned magnesia， simulation of autologous volume deformation value， expansive mechanism of light-burned magnesia， influence rule of high performance concrete with light-burned magnesia. This paper raises that the following directions should be further studied systematically， including the influence of light-burned magnesia characteristics on swelling deformation， the hydration of light-burned magnesia itself and in the cement gel system， the influence of aggregate， admixture and curing system on concrete deformation with light-burned magnesia， MgO-based expansive agent coupling with other kinds of expanders which can make deformation rule and shrinkage of normal concrete match better.

Compensating Contraction Concrete； Light-burned Magnesia； Application； Research Situation； Prospect

2016-01-29;

2016-02-25

杨永民(1981)，男，博士研究生，高级工程师，从事水工建筑材料试验研究工作。

TV431

A

1008-0112(2016)01-0001-06