MgO摻量對介質壓蒸膨脹率及孔隙參數影響的研究

方坤河， 陳昌禮， 李維維， 蔣 君， 趙振華

（1.貴州師范大學材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550059；2.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

0 引言

摻于混凝土中的輕燒MgO具有延遲膨脹性能，可以補償壩體混凝土降溫過程中產生的體積收縮，簡化溫控措施。然而，MgO摻量過高可能引起混凝土體積變形的不安定，這就存在MgO的允許摻量即安定摻量問題。水工混凝土中MgO的安定摻量可以借鑒GB/T 750—1992 《水泥安定性試驗方法 (壓蒸法)》和 《水泥砂漿安定性試驗方法 （試行）》[1]進行確定。 《水泥安定性試驗方法 （壓蒸法）》規定，當普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥的壓蒸膨脹率不大于0.50%、硅酸鹽水泥壓蒸膨脹率不大于0.80%時，認為體積安定性合格，反之為不合格。不過，該方法規定試樣使用水泥標準稠度凈漿制作，這與實際混凝土中水泥漿的水灰比相差甚遠。此外，一般混凝土中還摻有摻合料和外加劑，它們都對試樣的壓蒸膨脹率有不同程度的影響。 《水泥砂漿安定性試驗方法 （試行）》參照水泥安定性試驗方法，用水泥砂漿替代水泥標準稠度凈漿進行壓蒸試驗，將不同MgO摻量的水泥砂漿壓蒸膨脹率點繪成曲線，規定曲線中的拐點即為水泥砂漿壓蒸安定性的MgO極限摻量。

毛細孔多孔材料吸收浸潤液的動力學方法，是測量水泥石、砂漿和混凝土等多孔材料孔結構參數的通用方法[2]。水是浸潤水泥材料最方便的浸潤液。利用吸水動力學方法可以測定材料的吸水率 (即材料的顯孔隙率)，通過材料的吸水過程可獲得材料孔隙的平均孔徑參數和孔徑均勻性參數。材料的吸水率越大，說明孔隙率越大，反之越小；孔徑均勻性參數α的數值在0～1之間，其值越接近于1，說明材料孔隙的孔徑越均勻；材料的平均孔徑參數λ（λ1或λ2）的數值越大，說明孔隙的孔徑越大，反之越小。

本文通過壓蒸安定性試驗和對應試樣的吸水動力學試驗，研究MgO摻量對試樣壓蒸膨脹率和孔隙率及孔隙構造的影響，以期對混凝土中MgO的安定性摻量的確定有所裨益。

1 試 驗

1.1 試驗原材料

（1）水泥。采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.06 g/cm3，比表面積355 m2/kg，標準稠度用水量27.5%，安定性合格，其主要化學成分見表1。

表1 P.O 42.5普通硅酸鹽水泥的主要化學成分（質量分數）%

（2）MgO。采用遼寧海城東方滑鎂公司生產的輕燒MgO，密度3.394 g/cm3，細度 （0.045 mm篩的篩余）為26.8%，其主要化學成分見表2。

表2 MgO的主要化學成分（質量分數）%

（3）粗細骨料。采用灰巖人工砂和碎石，取自貴州某水電站工地。人工砂的細度模數為2.43，屬中細砂，顆粒級配屬于第Ⅱ區，級配良好，砂的視密度2.715 g/cm3，吸水率2.31%。粗骨料由工地加工成小石 （5～20 mm）、 中石 （20～40 mm）兩級。

（4）外加劑。采用奈系高效減水劑，其品質符合現行標準。

1.2 試驗方法

在實驗室拌制外摻MgO的水泥凈漿、砂漿和混凝土砂漿。其中，MgO的外摻量按膠凝材料總質量的百分數計。

（1）水泥凈漿的壓蒸試驗方法和試驗結果處理按 《水泥安定性試驗方法 (壓蒸法)》的有關規定進行。

（2）砂漿、混凝土砂漿的壓蒸試驗方法和試驗結果處理按 《水泥砂漿安定性試驗方法 （試行）》的有關規定進行。

（3）試驗使用砂漿的砂灰比為3.0。試驗使用的混凝土基準配合比為：一級配混凝土，水泥317 kg/m3、 水 174.5 kg/m3、 砂 873.5 kg/m3、 小石 1 113 kg/m3；二級配混凝土，水泥275 kg/m3、水151.3 kg/m3、 砂 850 kg/m3、 小石 510 kg/m3、 中石 765 kg/m3。試驗過程中通過改變減水劑的摻量以控制拌和物的坍落度在70～90 mm。混凝土砂漿的配合比，由相應級配混凝土去除粗骨料得到。

（4）介質的孔隙參數采用吸水動力學方法測定。使用與壓蒸試驗相同的原材料進行試驗，試件為邊長70.7 mm的立方體，靜置24 h拆模后置于標準霧室中養護至試驗齡期，在105℃條件下烘干至恒量，再冷卻至室溫后用感量為0.01 g的液體天平測定試件在水中的質量隨吸水歷時的變化。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

不同MgO外摻量的水泥凈漿、水泥砂漿、一級配混凝土砂漿、二級配混凝土砂漿試件壓蒸膨脹率和孔隙參數試驗結果見表3～6；180 d吸水過程曲線見圖1。

2.2 試驗結果分析

從表3～6和圖1可以看出，若以壓蒸膨脹率曲線的拐點 （并參考壓蒸膨脹率不大于0.5%）進行控制，則本試驗的水泥凈漿MgO外摻量不應超過2.3%（考慮水泥本身含有2.47%的MgO，MgO總量應不超過4.77%）；砂漿MgO外摻量不應超過4.5% （考慮水泥本身含有2.47%的MgO，MgO總量應不超過6.97%）；一級配混凝土砂漿MgO外摻量不應超過4.5% （考慮水泥本身含有2.47%的MgO，MgO總量應不超過6.97%）；二級配混凝土砂漿MgO外摻量不應超過5.5% （考慮水泥本身含有2.47%的MgO，MgO總量應不超過7.97%）。這時，試樣180 d的質量吸水率相對較低 （即孔隙率較小），28～180 d吸水率的降低率較大，試樣的其他孔隙參數 （如孔徑的均勻性、平均孔徑等參數）隨齡期的延長有較大的改善。

表3 水泥凈漿試件壓蒸膨脹率和孔隙參數測試結果

表4 水泥砂漿試件壓蒸膨脹率和孔隙參數測試結果

表5 一級配混凝土砂漿試件壓蒸膨脹率和孔隙參數測試結果

表6 二級配混凝土砂漿試件壓蒸膨脹率和孔隙參數測試結果

圖1 180 d齡期吸水過程曲線

輕燒MgO之所以具有延遲膨脹性能，是因為水鎂石水化緩慢并具有膨脹性。水泥的水化是逐漸（但大部分在28 d之前）進行的，隨著水泥水化齡期的延長，水泥石越來越密實。適量的輕燒MgO的存在降低了水泥石的孔隙率，有利于孔隙構造的改善。而MgO過量則會破壞水泥石的結構，不利于孔隙構造的改善，甚至破壞水泥石密實度。這是水泥凈漿、水泥砂漿和一、二級配混凝土砂漿壓蒸膨脹率與MgO摻量關系曲線都出現拐點的原因，也是摻入過量的MgO時，試樣的質量吸水率或1 h的吸水過程線高于MgO外摻量為零的試樣的原因。

3 結論

（1）隨著MgO外摻量的提高，水泥凈漿、砂漿和混凝土砂漿的壓蒸膨脹率增大。

（2）MgO的外摻量超過某一數值后，水泥凈漿、砂漿和混凝土砂漿的壓蒸膨脹率隨MgO外摻量的提高顯著增長，即出現了明顯的拐點。

（3）試樣的孔隙率及孔隙構造與MgO的外摻量有必然的聯系。根據介質的孔隙率及孔隙構造的觀測結果，可以評估介質的體積安定性。

（4）在MgO的安定摻量范圍內，隨養護時間的延長，介質的孔隙率降低較明顯，孔徑均勻性、平均孔徑等參數得到顯著的改善。

［1］ 曹澤生，徐錦華.氧化鎂混凝土筑壩技術 ［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］ A·E·謝依金（蘇）， 等.水泥混凝土的結構與性能［M］.胡春芝，等譯.北京：中國建筑工業出版社，1984.