长龄期MgO混凝土自生体积变形与水泥基材料压蒸膨胀变形的关联性

陈昌礼,陈荣妃,颜少连,雷 平,李维维

(1.贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵州 贵阳 550025;2.贵州省水利科学研究院,贵州 贵阳 550002; 3.贵州师范大学分析测试中心,贵州 贵阳 550001)

迄今为止,外掺氧化镁(MgO)筑坝技术已在我国水利水电行业的50多个工程获得应用[1-3],而国外仅有少量龄期1 a左右的室内试验研究报道,无工程应用案例[4-7]。这些工程外掺MgO量大多采用水泥砂浆压蒸法确定,少数采用一级配混凝土压蒸法确定。水泥砂浆压蒸法采用实际工程使用的砂制作水泥砂浆压蒸试件(水胶比、胶砂比与混凝土保持一致)[8];一级配混凝土压蒸法采用实际工程使用的砂和小石,参照实际工程混凝土的配合比制作一级配混凝土压蒸试件(水胶比、胶砂比同样与混凝土保持一致)。两种方法都是以GB/T 750—1992《水泥压蒸安定性试验方法》(以下简称GB/T 750—1992)为指南,压蒸环境均采用标准条件(即温度为(215.7±1.3)℃、对应压力为(2.0±0.05)MPa、恒压时间为3 h),但在进行压蒸试验时,不是采用GB/T 750—1992中规定的水泥净浆试件作为压蒸试件,而是采用水泥砂浆试件或一级配混凝土试件作为压蒸试件,其目的是科学合理地适当提高MgO的极限掺量。然后,根据压蒸试验结果,绘制水泥砂浆或一级配混凝土压蒸试件的压蒸膨胀率随MgO掺率的变化曲线,以曲线的拐点或压蒸膨胀率为0.5%时对应的MgO掺量作为混凝土中MgO的极限掺量。广东省地方标准DB44/T 703—2010《外掺氧化镁混凝土不分横缝拱坝技术导则》和贵州省地方标准DB52/T 720—2010《全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术规范》中都规定了水泥砂浆压蒸法和一级配混凝土压蒸法,二者在搅拌时间、试件尺寸、MgO安定掺量判定标准等方面或相同,或有所差异[9],但试验原理都是在饱和水蒸气条件下,让在常温下水化缓慢的方镁石晶体在高温、高压环境中很快水化完毕,以便在短时间内确定MgO的极限掺量。

大量的试验研究和工程实践表明,按照压蒸法确定的MgO掺量掺入混凝土后,混凝土将产生延迟性微膨胀,主要的膨胀量发生在1 a龄期内,长期膨胀变形总是趋于稳定,在龄期4～10 a后膨胀变形基本稳定[10-14];外掺MgO混凝土的延迟微膨胀可以补偿水工大体积混凝土因温降产生的体积收缩,从而简化混凝土的温控措施,加快施工进度,节省工程投资,降低维护费用[12-14]。同时,工程实践也表明,外掺MgO混凝土的自生体积变形膨胀量未达到设计期望值,MgO混凝土筑坝技术的优越性未得到充分发挥[13-18]。因此,外掺MgO混凝土的自生体积变形同确定MgO外掺量时采用的水泥砂浆试件和一级配混凝土试件的压蒸膨胀变形的关联性如何,引起了科技人员的思考和对推广应用MgO混凝土的顾虑。目前虽有极少量的短龄期MgO混凝土自生体积变形与压蒸膨胀变形的相关性报道[19-21],但因MgO混凝土的自生体积膨胀变形的历时较长,这些研究的说服力仍有欠缺。为此,本文采用压蒸试验、自生体积变形观测、压汞分析、电镜扫描、X射线能谱等宏观、微观研究手段,对水利水电工程挡水坝常用的三级配粉煤灰混凝土的自生体积变形连续跟踪研究了6年多,旨在揭示长龄期MgO混凝土的自生体积变形与压蒸膨胀变形的关联性,并期望对促进MgO混凝土的推广应用和深入研究有所帮助。

1 试验用原材料及混凝土配合比

试验所用的水泥为P·O 42.5普通硅酸盐水泥,内含2.47%MgO，标准稠度用水量为27.5%，比表面积为355 m2/kg，安定性合格,质量符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准;试验所用粉煤灰的细度为15.6%，烧失量为4.12%，需水量比为94.8%,达到DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》规定的F类Ⅱ级灰标准;砂料为贵州某水电站工地的石灰岩人工砂,细度模数为2.45,颗粒级配属于Ⅱ区,级配良好;粗骨料由工地采用石灰岩破碎成小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)3级,砂石料的品质均满足DL/T 5144—2001《水工混凝土施工规范》的要求;外加剂为高效减水剂FDN,其品质符合现行国家标准;外掺MgO的化学成分和物理性能如表1所示,符合水工混凝土专用MgO的质量标准。

表1 外掺MgO化学成分和物理性能

试验所用的混凝土为水利水电工程常用的三级配粉煤灰混凝土,其配合比见表2，MgO掺量按照占胶凝材料(水泥+粉煤灰)总量的百分比计算。通过调节减水剂的用量,使混凝土拌和物的坍落度保持在80～90 mm范围。

表2 试验所用三级配混凝土的配合比(w/c=0.55)

2 试验方法

压蒸试件的拌和、振捣、成型及试验数据的分析处理,参照GB/T 750—1992、DB52/T 720—2010进行。成型水泥砂浆和一级配混凝土的压蒸试件时,采用的原材料与拌制三级配粉煤灰混凝土自生体积变形试件所用的原材料相同,水胶比、胶砂比、粉煤灰掺量与三级配粉煤灰混凝土保持一致,砂、石以饱和面干状态为基准,MgO掺量同样按占胶凝材料总量的百分比计,试验时取MgO为0、4%、5%、6%、7%、8%。水泥砂浆压蒸试件不掺外加剂,试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm;一级配混凝土压蒸试件掺入外加剂,掺量与三级配粉煤灰混凝土相同,试件尺寸为55 mm×55 mm×280 mm。压蒸试件成型后,首先放置在温度为(20±2)℃、湿度为(95±2)%的标准养护室中养护72 h,然后脱模,接着放入温度为(20±2)℃的恒温室内静置1～2 h后,测其初始长度L0;再接着放入沸煮箱中沸煮3 h,待水温降到室温后,慢慢取出试件,并继续放入温度为(20±2)℃的恒温室内静置(12±3)h,测其长度L1;之后,放入压蒸釜中压蒸,压蒸完毕并待釜内压力下降至0.1 MPa后排放釜内蒸汽,取出试件,放入70℃的水中,再慢慢加入自来水,使水温在15 min内降至室温,接着取出试件放入温度为(20±2)℃的恒温室内静置(12±3)h,测其长度L2。用L2与L0之差除以试件的有效长度,即为试件的压蒸膨胀率[22]。

三级配粉煤灰混凝土自生体积变形试件的拌和、振捣、成型、养护、测试等,按照SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行。混凝土拌和完毕后,分3层装入用镀锌板制作的直径为200 mm、高度为500 mm的试件桶内(试件桶内壁垫有厚度为2～3 mm的橡皮板),并在每个试件的中部埋设一支差动式电阻应变计。密封后的试件放置在温度为(20±2)℃的实验室内。该试件除用于测试混凝土的自生体积变形外,还每隔1年,从试件上钻取砂浆芯样,用于压汞检测、电镜扫描及能谱分析。压汞检测采用美国Micromeritics仪器公司生产的AutoPore IV 9520型压汞仪,电镜扫描及能谱分析采用日本生产的JSM-6490LV扫描电子显微镜和英国牛津生产的INCA-350 X射线能谱仪。

图1 水泥基材料的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化

3 试验成果与分析

掺30%粉煤灰的水泥砂浆和一级配混凝土的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化曲线如图1所示。从图1可以看出,两种试件的压蒸膨胀率均随着MgO掺量的增大而增大。当水泥砂浆和一级配混凝土的MgO掺量分别达到6.6%和7.0%时,曲线出现明显的拐点。针对水泥砂浆和一级配混凝土压蒸试件,按照曲线拐点和压蒸膨胀率为0.5%时确定的MgO掺量分别为6.6%、6.9%和7.0%、7.2%。即以一级配混凝土作为压蒸试件确定的MgO掺量,比水泥砂浆压蒸试件仅高出0.4%和0.3%。同时,对压蒸后的试件观测后发现,当水泥砂浆和一级配混凝土的MgO掺量分别达到7.0%和7.5%时,压蒸后的试件已出现翘曲,压蒸安定性明显不合格。

同时,对MgO掺量为5%、6.5%、7.5%的三级配粉煤灰混凝土自生体积变形试件进行了长达6 a的观测,其成果见图2。

图2 三级配混凝土的自生体积变形随MgO掺量和龄期的变化

从图2看出,外掺MgO混凝土的自生体积膨胀变形随着MgO掺量和龄期的增加而增大,但在MgO掺量超过按照一级配混凝土压蒸法确定的极限掺量7.2%后,直到6 a龄期时,三级配粉煤灰混凝土的自生体积膨胀变形也没有出现象水泥基材料压蒸膨胀变形那样急剧增大的现象(即无拐点)。

图3 混凝土的平均孔径随龄期的变化

图4 混凝土中大于100 nm孔径随龄期的变化

图3和图4为连续6 a的压汞检测结果。从图3、图4可见,随着龄期和MgO掺量的增长,外掺MgO混凝土的平均孔径、有害孔(孔径为100～200 nm)和多害孔(孔径大于200 nm)[23]逐年下降,说明混凝土的微观结构越来越好。在龄期6 a时,对MgO外掺量为7.5%的CL46号混凝土的钻孔芯样进行了电镜扫描观测和X射线能谱分析(图5、图6),同样没有发现因MgO的水化产物膨胀引起的混凝土微细裂纹。

图5 龄期6 a的CL46混凝土芯样电镜扫描结果

图6 龄期6 a的CL46混凝土芯样X射线能谱

产生以上现象,可能主要是以下两方面的原因造成的：一方面,压蒸试验使MgO在高温高压环境中发生快速水化膨胀反应的同时,破坏了水泥砂浆试件和一级配混凝土试件的结构,削弱了水泥石和水泥石与骨料胶结界面的强度,降低了约束试件膨胀的黏结力,夸大了MgO自身的膨胀量,即当MgO掺量超过一定值后出现的压蒸试件翘曲现象,不完全是由于MgO自身的膨胀造成,还有高温高压环境造成的试件内部颗粒之间的黏结力下降引起的试件“体积疏松”。另一方面,水泥砂浆和一级配混凝土压蒸试件虽比GB/T 750—1992规定的水泥净浆压蒸试件更接近混凝土,但都未完全包含混凝土中占比最大的粗骨料,所以MgO在水泥砂浆和一级配混凝土压蒸试件中分布的均匀性比混凝土强。此外,由于外掺MgO混凝土的膨胀,实质上是外掺MgO水泥浆体结石的膨胀,骨料本身不会因外掺MgO而膨胀,因此水泥砂浆和一级配混凝土试件对外掺MgO引起的膨胀变形的敏感性比混凝土高。更关键是,水泥砂浆和一级配混凝土试件单位体积内的MgO含量比混凝土多,造成外掺MgO的水泥砂浆和一级配混凝土的压蒸膨胀变形偏大,即未能反映外掺MgO混凝土膨胀变形的真实情况。

4 结 论

长达6年的试验研究表明,虽然长龄期外掺MgO混凝土的自生体积膨胀变形随着MgO掺量和龄期的增加而增大,但并没有出现象水泥基材料压蒸膨胀变形那样急剧增大的现象,且在MgO外掺量达到7.5%时,虽然压蒸后的试件已明显翘曲,但6 a龄期MgO混凝土的微观结构仍然良好,即混凝土的自生体积膨胀变形与水泥砂浆、一级配混凝土的压蒸膨胀变形没有关联性或对应性。换言之,现行以水泥砂浆试件或一级配混凝土试件的压蒸膨胀变形曲线拐点或以压蒸膨胀率为0.5%确定的坝体混凝土的MgO极限掺量,虽能够保障混凝土大坝安全运行,但它们未能反映外掺MgO混凝土膨胀变形的实际情况。因此,现行的确定水工混凝土中MgO极限掺量的水泥砂浆压蒸法和一级配混凝土压蒸法需要进一步研究和创新。

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