水工混凝土中氧化镁极限掺量的研究

陈荣妃，陈昌礼

(贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025)

目前用于确定混凝土中MgO极限掺量的压蒸试件有：25mm×25mm×280mm的水泥净浆和砂浆，30mm×30mm×280mm的砂浆，55mm×55mm×280mm的一级配混凝土[1]。无论试件尺寸多大，判定安定性的依据主要以压蒸膨胀率不超过0.5%作为标准，或以压蒸膨胀率随MgO掺量变化的曲线拐点所对应的MgO掺量作为混凝土中MgO的安定掺量。文献2、3对不同尺寸的水泥净浆和水泥砂浆进行了压蒸试验，试验表明试件尺寸对压蒸膨胀率有明显的影响。文献4进行了水泥净浆、水泥砂浆、一级配混凝土和“模拟砂浆”的MgO极限掺量研究，得到采用“模拟砂浆”方法确定的MgO极限掺量均比另外三种水泥基材料的高。本文着重研究不同的“砂浆模拟”，拟通过压蒸试验和吸水试验，测定不同尺寸、不同外掺MgO量的水泥砂浆和“砂浆模拟”试件的压蒸膨胀率和孔隙特性参数，揭示试件尺寸对外掺MgO水泥基材料压蒸膨胀变形的影响及其成因，为提高水工混凝土的MgO极限掺量探索一种新的途径。

1 试验用原材料

试验所用水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为301m2/kg，标准稠度用水量为26.5%，安定性合格，质量符合GB 175- 2007《通用硅酸盐水泥》标准；氧化镁的密度为3.34g/cm3，细度为200目，活性指标为251s；骨料为某水电站工地的石灰岩人工砂，表观密度为2.715g/cm3，饱和面干吸水率为2.31%，石粉含量为25.83%，细度模数为2.43(属于中砂)，颗粒级配属于Ⅱ区，级配良好；外加剂为FDN-OR缓凝高效减水剂，其品质符合DL/T 5100- 1999《水工混凝土外加剂技术规程》的要求。

2 试验方法及配合比

本试验有两种“砂浆模拟”试件。一种为“级配粒径砂浆模拟”试件，是在拌合、成型压蒸试件时，采用水工大坝实际使用的三级配混凝土配合比，但需将混凝土中的小石、中石、大石分别采用粒径为0.15～1.18mm、1.18～2.36mm、2.36～4.75mm的级配砂等质量替代；另一种为“单粒径砂浆模拟”试件，虽在拌合、成型压蒸试件时，同样采用水工大坝实际使用的三级配混凝土配合比，但采用该粒径不超过4.75mm的砂，等质量替代混凝土中的全部粗骨料，包含小石、中石和大石。两种砂浆模拟试件的成型，均参考《水泥砂浆安定性试验方法-压蒸法(试行)》进行，水灰比、灰砂比与三级配混凝土保持一致。为了进行对比，按照《水泥砂浆安定性试验方法-压蒸法(试行)》成型了砂浆试件。压蒸试件的试模尺寸有20mm×20mm×250mm的小试件，25mm×25mm×280mm的标准试件，30mm×30mm×300mm的大试件三种。压蒸试验参照GB/T 750- 92《水泥压蒸安定性试验方法》的规定进行。

利用吸水动力学方法可以测量水泥石、砂浆和混凝土等多孔材料的孔结构参数。试验方法：每一配方成型2块100mm×100mm×10mm块状试件，将其养护至28d、90d龄期；达到龄期后，取出试样，放于105～110℃的环境下干燥25～50h，冷却至室温后即可进行吸水试验；测定0、0.25、0.5、0.75、1、24h吸水后试样的质量和吸水率。可算出试件在相应龄期的质量吸水率、孔径均匀性系数α、平均孔径λ等参数，据此分析试样的孔隙结构。

本试验所用的三级配混凝土的配合比为：单位用水量132kg/m3、水泥用量264kg/m3、砂用量718kg/m3、小石用量400kg/m3、中石用量532kg/m3、大石用量400kg/m3。MgO的外掺量按占胶凝材料用量的百分数计。

3 试验结果及其分析

不同尺寸的水泥砂浆试件、“级配粒径砂浆模拟”试件、“单粒径砂浆模拟”试件的压蒸试验结果分别见表1和图1、表2和图2、表3和图3。“级配粒径砂浆模拟”试件和“单粒径砂浆模拟”试件的孔隙参数结果分别见表4、表5。

表1 不同尺寸的水泥砂浆试件的压蒸膨胀率

注：MgO- 0是指MgO掺量为0%，其他依次类推。

表2 不同尺寸的级配粒径砂浆模拟试件的压蒸膨胀率

表3 不同尺寸单粒径砂浆模拟试件的压蒸膨胀率

图1 不同尺寸水泥砂浆试件的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化

图2 不同尺寸的级配粒径砂浆模拟试件的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化

图3 不同尺寸单粒径砂浆模拟试件的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化

试件编号MgO掺量/%质量吸水率/%孔径均匀性系数α平均孔径参数λ28d90d28d90d28d90dGD-004.8883.6600.3170.3590.81750.460GD-554.0693.1600.4210.5450.54950.366GD-665.3462.0100.2110.2780.39090.122GD-775.7034.7360.0680.2310.31250.290

表5 “单粒径砂浆模拟”试件的孔隙参数测试结果

(1)从表1、2、3看出，试件尺寸对水泥砂浆试件、“级配粒径砂浆模拟”试件、“单粒径砂浆模拟”试件的压蒸膨胀变形的影响规律相似。即，当MgO掺量低于某一个值时，试件的压蒸膨胀率由大变小的规律是：标准试件>小试件>大试件；当MgO掺量大于该值时，压蒸膨胀率由大变小的规律是：小试件>标准试件>大试件；不管何种水泥基材料的试件，均是大试件的压蒸膨胀率最小。基于本实验所用的水泥砂浆试件、“级配粒径砂浆模拟”试件和“单粒径砂浆模拟”试件，引起压蒸膨胀率变化规律发生转变的MgO掺量分别为6%、7%和8%。初步分析如下：

MgO在小试件、标准试件、大试件中的分布密度，理论上是一样的。但是，由于试件的长径比不同(小试件、标准试件、大试件的长径比分别为12.5、11.2、10)，自身约束力不同，MgO的水化环境存在差异，因此，试件的压蒸膨胀率呈现差异性。例如，针对水泥砂浆小试件和标准试件，当MgO掺量小于5%时，小试件的MgO绝对掺量少，相对于试件的自身约束来言，MgO引起的膨胀效果小于约束效果，导致小试件的压蒸膨胀变形相对小，低于标准试件的压蒸膨胀率。当MgO掺量大于5%时，属于高掺MgO的情况，此时MgO引起的膨胀效果大于约束效果，导致小试件的压蒸膨胀变形大于标准试件。对于大试件，虽然MgO的绝对总量多，但其纵横比最小，即试件自身的约束力最大，导致它的压蒸膨胀率最小。

(2)从表1、2、3还发现，相同的MgO掺率，砂浆试件的压蒸膨胀率最大，其次是“级配粒径砂浆模拟”试件，最后是“单粒径砂浆模拟”试件，即由此确定的MgO极限掺量规律是：“单粒径砂浆模拟”试件﹥“级配粒径砂浆模拟”试件﹥砂浆试件。

“级配砂浆模拟”试件中的砂经筛分又混合后，其细度模数为3.245(属于粗砂)，颗粒级配属于Ⅰ区，级配良好，石粉含量为9.12%；砂浆试件和“单粒径砂浆模拟”试件中的砂，细度模数为2.43(属于中砂)，颗粒级配属于Ⅱ区，级配良好，石粉含量为25.83%。明显地，这两种“模拟砂浆”试件中的砂的细度模数(FM)不一样。“单粒径砂浆模拟”试件中的砂的FM相对小，且小于孔径0.16mm以下的细粉含量多，其比表面积就大。FM值越小，砂越细。在相同MgO掺量时，MgO在细砂中比在粗砂中更为分散，以至减弱MgO膨胀能[5]，故“单粒径砂浆模拟”试件的压蒸膨胀值相对小。

同时，采用吸水动力学方法来测定“单粒径砂浆模拟”试件和“级配粒径砂浆模拟”试件的孔隙参数，以判断它们的孔隙情况。试验结果见表4和表5。

从表4和表5可以看出，“级配粒径砂浆模拟”试件在28d、90d的质量吸水率都相对较低，即孔隙率低，说明“级配粒径砂浆模拟”试件要比“单粒径砂浆模拟”试件密实。由于试件内部的微细孔隙可以吸收一部分因MgO引起的膨胀能，“单粒径砂浆模拟”试件的膨胀变形比“级配粒径砂浆模拟”试件小，从表2和表3的数据证明了这一点。

比较“单粒径砂浆模拟”试件和砂浆试件。“单粒径砂浆模拟”试件用粒径不超过4.75mm的砂分别等质量代替三级配混凝土中的砂、小石、中石、大石，再混合拌匀，可以认为“单粒径砂浆模拟”试件混合后的砂与砂浆试件中的一样，即在试件尺寸相同时，这两种试件的砂的细度、级配均相同，但砂浆试件的灰砂比约为“单粒径砂浆模拟”试件灰砂比的3倍。说明灰砂比是影响砂浆试件压蒸膨胀变形的重要因素之一。水泥砂浆试件的灰砂比大，说明其单位体积中的水泥胶材含量高，自然压蒸膨胀率就大。

(3)按照GB/T750- 92《水泥压蒸安定性试验方法》，以压蒸膨胀率不超过0.5%时对应的MgO掺量作为MgO的极限掺量，则基于本试验的砂浆小试件、标准试件、大试件，MgO的极限掺量分别为7.03%、7.08%、7.14%，“级配粒径砂浆模拟”小试件、标准试件、大试件的MgO极限掺量分别为7.34%、7.66%、7.82%，“单粒径砂浆模拟”小试件、标准试件、大试件的MgO极限掺量分别为8.05%、8.13%、9.1%，即采用“单粒径砂浆模拟”试件确定的MgO极限掺量为最大。这说明，增大压蒸试验所用的试件尺寸，或者改变水泥基材料的种类，可以提高MgO的极限掺量。另外，从图1～图3可以看到，对同一种水泥基材料，三种尺寸试件出现拐点时对应的MgO掺量均相差不大。若按照《暂行规定》，以压蒸膨胀率随MgO掺率变化曲线的拐点对应的MgO掺量作为MgO的极限掺量，则砂浆试件的MgO极限掺量为5.5%左右，“级配粒径砂浆模拟”试件和“单粒径砂浆模拟”试件的MgO极限掺量均约为6%。不同尺寸的“单粒径砂浆模拟”试件、“级配粒径砂浆模拟”试件、砂浆试件的MgO极限掺量的最大相差依次为1.05、0.48、0.11个百分点，即“单粒径砂浆模拟”压蒸试件的尺寸效应最明显。

4 结论

(1)试件尺寸对外掺MgO水泥基材料试件的压蒸膨胀变形存在影响。在某一MgO掺量之前，标准试件的压蒸膨胀率最大；超过该掺量时，小试件的压蒸膨胀率最大。同时，相对于小试件、标准试件而言，大试件的压蒸膨胀率始终最小。

(2)无论小试件、标准试件还是大试件，利用压蒸试验，按照GB/T750- 92确定的MgO极限掺量由小变大的规律均为：砂浆试件﹤“级配粒径砂浆模拟”试件﹤“单粒径砂浆模拟”试件。

(3)试件尺寸对外掺MgO“单粒径砂浆模拟”试件的压蒸膨胀变形影响较明显。建议通过适当增大“单粒径砂浆模拟”试件尺寸来提高水工混凝土的MgO极限掺量。

[1] GB/T750- 92. 水泥压蒸安定性试验方法[S]；《水泥砂浆安定性试验方法-压蒸法(试行)》(以下简称“暂行规定”)；贵州省发布的地方标准DB52/T720- 2010. 全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术规范[S]；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．

[2] 李万军, 李晓勇, 陈学茂, 等. 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(01): 67- 71．

[3] 李维维, 陈昌礼, 李良川, 等. 外掺MgO水泥净浆和砂浆小尺寸试件的压蒸膨胀变形[J]. 材料科学与工程学报, 2016(01): 160- 165．

[4] 陈昌礼. 水工混凝土中氧化镁安定掺量的判定方法述评[J]. 水利水电技术, 2015(09): 135- 138．

[5] 陈理达, 谢立国, 李红彦. 外掺MgO水泥砂浆配比对压蒸膨胀值的影响[J]. 广东水利水电, 2003(03): 4- 5．