养护温度对氧化镁水泥砂浆抗压强度的影响研究

何乐文，何少云，蒋林华，张 研

（1.中国水利水电第十二工程局有限公司施工科学研究所，浙江建德 311600；2.山东文登抽水蓄能有限公司，山东文登 264419；3.河海大学力学与材料学院，江苏南京 210098）

1 概述

由于水泥的水化热和混凝土的低导热性，施工过程中的大体积混凝土内部常常有较高的温升。降温阶段会伴随体积收缩，在混凝土内部产生过大的拉应力，导致混凝土开裂。为减少水泥的水化热和混凝土的开裂，工程中需采用低热水泥、混凝土加冰拌和、埋设冷却水管和表面隔热保温等措施[1]。这些方法中，有的方法成本较高且耗时。对抽水蓄能电站的面板、蜗壳等大体积混凝土，仅靠温控措施难以完全避免热裂缝的产生[2]。

补偿温度收缩可方便而有效地防止大体积混凝土的温度裂缝[3]。MgO型膨胀剂已成功地用于补偿降温阶段的混凝土收缩[4]。目前关于MgO水泥基材料的性能方面已开展了不少研究工作[2-5]，但有关养护温度对MgO水泥基材料性能的影响还鲜见文献报导。文中主要研究养护温度对MgO水泥砂浆抗压强度的影响，探讨养护温度对MgO水泥砂浆抗压强度的影响规律和机理，为实际工程提供一定的试验数据支持，也为将来使用MgO混凝土筑坝提供技术储备。

2 试验原材料与试验方法

水泥为南京某水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥，细骨料为Ⅱ区河砂，细度模数2.6，MgO膨胀剂为江苏某新材料有限公司生产，其活性值为120 s，拌合水为自来水。砂浆配合比如表1所示。

表1 MgO水泥砂浆配合比

试件成型后，按不同的养护条件，分别把试件放在标准养护室（20°C）、50°C恒温水箱、80°C恒温水箱进行养护，养护一定时间后将试件取出测定其抗压强度，同时进行SEM，XRD和MIP微观分析试验。采用日立公司HITACHI的S-3400N型电镜对MgO水泥砂浆试件进行SEM观测；压汞试验采用AutoPore IV 9500型全自动压汞仪进行。

3 试验结果及分析

3.1 不同养护温度下MgO水泥砂浆的抗压强度

MgO水泥砂浆抗压强度与养护温度的关系如图1所示。

图1 养护温度对MgO水泥砂浆抗压强度的影响

从图1中可以看出：养护温度从20°C升到50°C时，除了MgO掺量5%水灰比0.4的试件B（见图1（b）），其余试件各个龄期的抗压强度都随着养护温度的升高而增大(以0.5水灰比、3%MgO配比为例)，由于B试件水灰比较小，内部孔隙较少，过高的MgO掺量在50°C时水化比较充分，过大的膨胀能可能破坏了浆体内部结构，从而降低了B试件的强度，可以认为适量提高养护温度，有利于提高MgO水泥砂浆的抗压强度；当养护温度从50°C升到80°C时，除了MgO掺量3%水灰比0.5的试件A2(见图1（a）），其余各试件早期（3 d和7 d）强度随温度升高而增大，后期（28 d和60 d）强度随着温度升高而减小，由于A2试件MgO掺量适中，水化产生的膨胀能刚好补偿浆体内部孔隙，优化内部结构，提高强度，其余试件由于80°C高温养护作用，试件内部结构可能出现破坏，后期强度出现降低，所以养护温度不宜过高，可能会降低MgO水泥砂浆的抗压强度，特别是后期强度。

3.2 SEM分析

分别对养护28 d(20°、80°)的A1、A2和A3试件进行SEM观察。从SEM照片可以看出：在20°C养护条件下，空白试件A1结构比较疏松，水化生成大量的薄板层状Ca（OH）2晶体镶嵌在C-S-H凝胶中，内部孔隙较多，而随着MgO的掺入，试件内部结构明显得到改善，掺入5%MgO的A3试件结构最密实，在500倍SEM图片中，基本看不到孔洞和裂缝，水化生成的钙矾石和水镁石填充和阻塞了水泥石的空隙，随着晶体的生长而产生膨胀压力，降低了水泥石的总孔隙率，减小了孔径，使砂浆试件更加密实。MgO掺量为3%的试件，A2的结构看起来最为密实，表明高温养护条件下，掺入MgO可以优化内部结构，降低孔隙率，而MgO掺量过高，又有可能会导致浆体内部产生局部膨胀，而使内部结构松散。

3.3 XRD分析

由于不同的养护温度对水泥水化有较大影响，因此有必要对试样进行XRD分析，比较不同养护温度下试样组成的变化。图2为0.5水灰比、5%MgO掺量的A3试件水化3 d的XRD图谱。

图2 水化3 d的XRD图谱（0.5水灰比、5%MgO）

从图2中可以看出：由于使用砂浆作为XRD测试试样，所以可以明显的看到SiO2的衍射峰，20°C水化3 d时，可以看到有少量的MgO的衍射峰，说明MgO水化还不充分，而在80°C时，3d龄期已经基本看不到MgO的峰。在80°C养护条件下发现Ca(OH)2的衍射峰比20°C养护温度更强，说明随着温度的升高，浆体内部水化更充分，生成的Ca(OH)2，同样80°C时的C-S-H凝胶的衍射峰也比20°C的强，进一步说明温度升高，有利于MgO水泥砂浆的水化，宏观也表现养护温度高的MgO水泥砂浆，早期力学性能优于20°C养护温度。

3.4 MIP分析

对采用不同温度养护2 8 d的试件进行压汞试验，测试结果如表2所示。

通过表2还可以看出：掺入MgO的砂浆试件在小于100 nm的孔隙比例，明显多于未掺入MgO的水泥砂浆试件，而大孔的比例又小于空白试件，随着温度的升高，MgO水泥砂浆试件孔径和孔隙率也都相应的减小。在20°C养护温度下，水灰比为0.5、掺入5%MgO的水泥砂浆试件A3的孔结构最优，其中小于50 nm的无害孔比例最大，总孔隙率最小，而在80°C养护条件下，水灰比为0.5、MgO掺量为3%的试件A2的孔结构优于A3，可见在高温养护条件下，MgO掺量往往比常态下要求更严格，由于高温水化迅速，过高的MgO掺量可能导致浆体内部的局部膨胀，而破坏浆体内部结构。

表2 各配比砂浆28 d龄期的孔结构参数

4 结论

1）提高养护温度可以提高MgO水泥砂浆的抗压强度，但养护温度不宜超过50℃，养护温度超过50℃反而会降低MgO的抗压强度。

2）掺入MgO可以优化水泥砂浆的孔隙结构，有助于降低孔隙率，减少有害孔；高温养护条件下应严格控制MgO掺量，防止因水泥水化迅速产生局部膨胀，破坏浆体内部结构。

［1］J.Gajda,M.Vangeem.Controlling temperatures in mass concrete,Concrete International,2002，24（1）：59-62.

［2］L.Mo,M.Deng,A.Wang,EffectofMgO-basedexpansive additive on compensating the shrinkage of cement paste under non-wet curing conditions,Cement&Concrete Composites,2012，34（3）：377-383.

［3］Pei-wei Gao,et al.Soundness evaluation of concrete with MgO,Construction and Building Materials,2007，21（1）：132-138.

［4］P.K.Mehta,D.Pirtz,Magnesiumoxideadditiveforproducing selfstressinmassconcrete.In:Proceedingof 7thinternational congress on the chemistry of cement,vol.Ⅲ,Paris;1980：6-9.

［5］曹泽生，徐锦华.氧化镁混凝土筑坝技术［M］.北京：中国电力出版社，2003.