水工混凝土中氧化鎂極限摻量的研究

陳榮妃，陳昌禮

(貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴陽 550025)

1 概 述

目前，用于確定混凝土中MgO極限摻量的壓蒸試件有25 mm×25 mm×280 mm的水泥凈漿和砂漿、30 mm×30 mm×280 mm的砂漿、55 mm×55 mm×280 mm的一級配混凝土[1-4]。無論試件尺寸多大，判定安定性的依據主要以壓蒸膨脹率不超過0.5%作為標準，或以壓蒸膨脹率隨MgO摻量變化的曲線拐點所對應的MgO摻量作為混凝土中MgO的安定摻量。文獻[5，6]對不同尺寸的水泥凈漿和水泥砂漿進行了壓蒸試驗，試驗表明試件尺寸對壓蒸膨脹率有明顯的影響。文獻[7]進行了水泥凈漿、水泥砂漿、一級配混凝土和“模擬砂漿”的MgO極限摻量研究，結果表明采用“模擬砂漿”方法確定的MgO極限摻量均比另外3種水泥基材料的高。本文著重研究不同的“砂漿模擬”，擬通過壓蒸試驗和吸水試驗，測定不同尺寸、不同外摻MgO量的水泥砂漿和“砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹率和孔隙特性參數，揭示試件尺寸對外摻MgO水泥基材料壓蒸膨脹變形的影響及其成因，為提高水工混凝土的MgO極限摻量探索一種新的方法和途徑。

2 試驗用原材料

試驗所用水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為301 m2/kg，標準稠度用水量為26.5%，安定性合格，質量符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)標準；氧化鎂的密度為3.34 g/cm3，細度為200目，活性指標為251 s；骨料為某水電站工地的石灰巖人工砂，表觀密度為2.715 g/cm3，飽和面干吸水率為2.31%，石粉含量為25.83%，細度模數為2.43(屬于中砂)，顆粒級配屬于Ⅱ區，級配良好；外加劑為FDN-OR緩凝高效減水劑，其品質符合《水工混凝土外加劑技術規程》(DL/T 5100-1999)的要求。

3 試驗方法及配合比

本試驗有兩種“砂漿模擬”試件。其中，一種為“級配粒徑砂漿模擬”試件，是在拌和、成型壓蒸試件時，采用水工大壩實際使用的三級配混凝土配合比，但需將混凝土中的小石、中石、大石分別采用粒徑為0.15～1.18 mm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm的級配砂等質量替代。另一種為“單粒徑砂漿模擬”試件，雖在拌和、成型壓蒸試件時，同樣采用水工大壩實際使用的三級配混凝土配合比，但采用該粒徑不超過4.75 mm的砂，等質量替代混凝土中的全部粗骨料，包含小石、中石和大石。兩種砂漿模擬試件的成型，均參考《水泥砂漿安定性試驗方法——壓蒸法(試行)》進行，水灰比、灰砂比與三級配混凝土保持一致。為了進行對比，按照《水泥砂漿安定性試驗方法——壓蒸法(試行)》成型了砂漿試件。壓蒸試件的試模尺寸有20 mm×20 mm×250 mm的小試件，25 mm×25 mm×280 mm的標準試件，30 mm×30 mm×300 mm的大試件共3種。壓蒸試驗參照《水泥壓蒸安定性試驗方法》(GB/T 750-1992)的規定進行。

利用吸水動力學方法可以測量水泥石、砂漿和混凝土等多孔材料的孔結構參數。試驗方法如下：每一配方成型2塊100 mm×100 mm×10 mm塊狀試件，將其養護至28、90 d齡期；達到齡期后，取出試樣，放于105℃～110℃的環境下干燥25～50 h，冷卻至室溫后即可進行吸水試驗；測定0、0.25、0.5、0.75、1、24 h吸水后試樣的質量和吸水率。之后可算出試件在相應齡期的質量吸水率、孔徑均勻性系數α、平均孔徑λ等參數，據此分析試樣的孔隙結構。

本試驗所用的三級配混凝土的配合比為：單位用水量132 kg/m3、水泥用量264 kg/m3、砂用量718 kg/m3、小石用量400 kg/m3、中石用量532 kg/m3、大石用量400 kg/m3。MgO的外摻量按占膠凝材料用量的百分數計。

4 試驗結果及其分析

不同尺寸的水泥砂漿試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸試驗結果分別見表1、表2、表3和圖1、圖2、圖3?！凹壟淞缴皾{模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數結果分別見表4、表5。

表1 不同尺寸的水泥砂漿試件的壓蒸膨脹率

注：MgO-0是指MgO摻量為0% ，其他依次類推。

表2 不同尺寸的級配粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率

表3 不同尺寸單粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率

圖1 不同尺寸水泥砂漿試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

圖2 不同尺寸的級配粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

圖3 不同尺寸單粒徑砂漿模擬試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化

表5 “單粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數測試結果

1) 由表1、表2、表3可以看出，試件尺寸對水泥砂漿試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹變形的影響規律相似。即當MgO摻量低于某一個值時，試件的壓蒸膨脹率由大變小的規律是：標準試件>小試件>大試件；當MgO摻量大于該值時，壓蒸膨脹率由大變小的規律是：小試件>標準試件>大試件；不管何種水泥基材料的試件，均是大試件的壓蒸膨脹率最小?；诒緦嶒炈玫乃嗌皾{試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件，引起壓蒸膨脹率變化規律發生轉變的MgO摻量分別為6%、7%和8%。初步分析如下：

MgO在小試件、標準試件、大試件中的分布密度，理論上是一樣的。但是，由于試件的長徑比不同(小試件、標準試件、大試件的長徑比分別為12.5、11.2、10)，自身約束力不同，MgO的水化環境存在差異，因此試件的壓蒸膨脹率呈現差異性。例如，針對水泥砂漿小試件和標準試件，當MgO摻量小于5%時，小試件的MgO絕對摻量少，相對于試件的自身約束來言，MgO引起的膨脹效果小于約束效果，導致小試件的壓蒸膨脹變形相對小，低于標準試件的壓蒸膨脹率。當MgO摻量大于5%時，屬于高摻MgO的情況，此時MgO引起的膨脹效果大于約束效果，導致小試件的壓蒸膨脹變形大于標準試件。對于大試件，雖然MgO的絕對總量多，但其縱橫比最小，即試件自身的約束力最大，導致它的壓蒸膨脹率最小。

2) 由表1、表2、表3還可以看出，相同的MgO摻率，砂漿試件的壓蒸膨脹率最大，其次是“級配粒徑砂漿模擬”試件，最后是“單粒徑砂漿模擬”試件，即由此確定的MgO極限摻量規律是：“單粒徑砂漿模擬”試件﹥“級配粒徑砂漿模擬”試件﹥砂漿試件。

“級配砂漿模擬”試件中的砂經篩分又混合后，其細度模數為3.245(屬于粗砂)，顆粒級配屬于Ⅰ區，級配良好，石粉含量為9.12%；砂漿試件和“單粒徑砂漿模擬”試件中的砂，細度模數為2.43(屬于中砂)，顆粒級配屬于Ⅱ區，級配良好，石粉含量為25.83%。很明顯，這兩種“模擬砂漿”試件中的砂的細度模數(FM)不一樣?！皢瘟缴皾{模擬” 試件中的砂的FM相對小，且小于孔徑0.16 mm以下的細粉含量多，其比表面積就大。FM值越小，砂越細。在相同MgO摻量時，MgO在細砂中比在粗砂中更為分散，以至減弱MgO膨脹能[8]，故“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹值相對小。

同時，采用吸水動力學方法來測定“單粒徑砂漿模擬”試件和“級配粒徑砂漿模擬”試件的孔隙參數，以判斷它們的孔隙情況。試驗結果見表4和表5。

從表4和表5可以看出，“級配粒徑砂漿模擬”試件在28、90 d的質量吸水率都相對較低，即孔隙率低，說明“級配粒徑砂漿模擬”試件要比“單粒徑砂漿模擬”試件密實。由于試件內部的微細孔隙可以吸收一部分因MgO引起的膨脹能，“單粒徑砂漿模擬”試件的膨脹變形比“級配粒徑砂漿模擬”試件小，由表2和表3的數據可以證明這一點。

比較“單粒徑砂漿模擬”試件和砂漿試件。“單粒徑砂漿模擬”試件用粒徑不超過4.75 mm的砂分別等質量代替三級配混凝土中的砂、小石、中石、大石，再混合拌勻，可以認為“單粒徑砂漿模擬”試件混合后的砂與砂漿試件中的一樣。即在試件尺寸相同時，這兩種試件的砂的細度、級配均相同，但砂漿試件的灰砂比約為“單粒徑砂漿模擬”試件灰砂比的3倍，說明灰砂比是影響砂漿試件壓蒸膨脹變形的重要因素之一。水泥砂漿試件的灰砂比大，說明其單位體積中的水泥膠材含量高，自然壓蒸膨脹率就大。

3) 按照《水泥壓蒸安定性試驗方法》(GB/T750-1992)，以壓蒸膨脹率不超過0.5%時對應的MgO摻量作為MgO的極限摻量，則基于本試驗的砂漿小試件、標準試件、大試件，MgO的極限摻量分別為7.03%、7.08%和7.14%，“級配粒徑砂漿模擬”小試件、標準試件、大試件的MgO極限摻量分別為7.34%、7.66%和7.82%，“單粒徑砂漿模擬”小試件、標準試件、大試件的MgO極限摻量分別為8.05%、8.13%和9.1%，即采用“單粒徑砂漿模擬”試件確定的MgO極限摻量為最大。這說明增大壓蒸試驗所用的試件尺寸，或者改變水泥基材料的種類，均可以提高MgO的極限摻量。另外，從圖1～圖3可以看到，對同一種水泥基材料，3種尺寸試件出現拐點時對應的MgO摻量均相差不大。若按照《水泥砂漿安定性試驗方法——壓蒸法(試行)》，以壓蒸膨脹率隨MgO摻率變化曲線的拐點對應的MgO摻量作為MgO的極限摻量，則砂漿試件的MgO極限摻量為5.5%左右，“級配粒徑砂漿模擬”試件和“單粒徑砂漿模擬”試件的MgO極限摻量均約為6%。不同尺寸的“單粒徑砂漿模擬”試件、“級配粒徑砂漿模擬”試件、砂漿試件的MgO極限摻量的最大相差依次為1.05、0.48和0.11個百分點，即“單粒徑砂漿模擬”壓蒸試件的尺寸效應最明顯。

5 結 論

1) 試件尺寸對外摻MgO水泥基材料試件的壓蒸膨脹變形存在影響。在某一數值MgO摻量之前，標準試件的壓蒸膨脹率最大；超過該摻量時，小試件的壓蒸膨脹率最大。同時，相對于小試件、標準試件而言，大試件的壓蒸膨脹率始終最小。

2) 無論小試件、標準試件還是大試件，利用壓蒸試驗，按照《水泥壓蒸安定性試驗方法》(GB/T750-1992)確定的MgO極限摻量由小變大的規律均為：砂漿試件﹤“級配粒徑砂漿模擬”試件﹤“單粒徑砂漿模擬”試件。

3) 試件尺寸對外摻MgO“單粒徑砂漿模擬”試件的壓蒸膨脹變形影響較明顯。建議通過適當增大“單粒徑砂漿模擬”試件尺寸來提高水工混凝土的MgO極限摻量。