膨脹劑對水泥基灌漿材料性能的影響

馬夢娜,安亞強,武 強,張 偉

(1.陜西工業職業技術學院,陜西 咸陽 712000; 2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

水泥灌漿材料的特殊性能令其具有廣闊的應用前景,注漿材料的性能受水灰比、砂級配、水泥等多種因素的影響,需在灌漿材料中使用具有高早期強度及高膨脹特性的水泥[1]。水泥基灌漿材料具有卓越的機械性能及耐久性[2],但膨脹性能較弱,故需對膨脹劑進行深入研究。

典型的膨脹劑包括硫鋁酸鈣(CSA)、氧化鈣(CaO)及氧化鎂(MgO)。其中,MgO是一種優秀的材料,因其良好的膨脹性能而備受關注[3]。以MgO膨脹劑為例,其表現良好的原因是具有水化機理。水化過程如下:

MgO+H2O?Mg(OH)2

(1)

其中,MgO、H2O及Mg(OH)2的摩爾體積分別為11.26、18.01、24.71,如果反應繼續完成,則總體積減少15.6%,故除了摩爾膨脹之外,一定存在其他導致膨脹的原因。

氧化鎂水化產物水鎂石具有良好的熱穩定性及相對可控的成型速度,是一種安全的膨脹劑。MgO的水化活性很容易通過煅燒條件(如溫度和時間)來控制。在1450 ℃下與波特蘭水泥熟料一起燃燒,方長石水化極其緩慢,通常用于補償大體積大壩混凝土的熱收縮。一個有效的擴張時間可能是一年或更長,輕度燃燒的MgO可通過900 ℃～1300 ℃的煅燒過程獲得。輕燒MgO煅燒溫度低,晶體尺寸小,晶格畸變大,水化活性高,膨脹快。與其他膨脹劑一樣,具有較高水化活性的MgO可用于普通混凝土中,以補償其在水化初期的收縮,因此,MgO的利用可以擴展到水壩以外的普通建筑中。MgO膨脹劑可通過工業副產品生產,從長遠來看是環保的。MgO溶解在孔溶液中,增加孔溶液中的Mg2+和OH-濃度,當離子濃度達到足以使水鎂石成核的程度時,在MgO顆粒附近的溶液中形成大量水鎂石核。小晶體比大晶體具有更大的溶解度,故一些水鎂石核隨后再結晶成大晶體。細晶與大晶在孔隙溶液中混合時,晶體溶解度可用下式表示:

(2)

當水鎂石晶體的生長受到水泥基體的抑制時,基體承受晶體生長壓力表示為:

(3)

式中,VM為晶體的摩爾體積,為過飽和溶液的平均活度,a0為飽和溶液的平均活度。膠凝體系中Mg2+的濃度較低,因此平均活度as可用濃度cs代替。晶體生長壓力是MgO膨脹劑膨脹的驅動力。但大多數研究主要關注生長在氧化鎂顆粒表面的水鎂石。實際上,在水泥漿體與MgO顆粒之間觀察到的水鎂石通常是致密的,很少有晶體,說明這部分水鎂石不是導致膨脹的主要原因。

1 不同類型膨脹劑對水泥基灌漿材料性能的影響

1.1 氧化鈣型(CaO)膨脹劑可提高水泥基灌漿材料的抗壓強度

膨脹劑可用于生產收縮補償水泥基灌漿材料,達到從初始膨脹到適當抑制再到抵消收縮引起的應變。與硫鋁酸鹽與氧化鎂型膨脹劑相比,氧化鈣型膨脹劑具有膨脹速率快、膨脹能高、需水量少等優點。其在齡期早期迅速水化,摻加氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體除了會產生變形外,還會影響其早期力學性能。Hua等[4]研究了不同氧化鈣型膨脹劑摻量對含60%礦渣水泥漿體早期抗壓強度及前72 h變形的影響。如圖1所示,摻量為2%的氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體除具有較好的收縮補償作用外,其早期抗壓強度始終大于對照,在72 h時提高了9.2%。當氧化鈣型膨脹劑摻量分別增加到4%、6%、8%時,其抗壓強度增長率呈現先增大后逐漸減小再增大的趨勢。其72 h抗壓強度分別降低40.0%、53.3%、66.5%。抗壓強度的提高主要是由于氧化鈣型膨脹劑水化產生的氫氧化鈣增多,加速了氧化鈣型膨脹劑的水化,生成了更多的凝膠,令氧化鈣型膨脹劑的微觀結構更加致密。抗壓強度發展的減緩是由于高劑量氧化鈣型膨脹劑的快速水化產生高膨脹應力而造成內部損傷。

圖1 不同氧化鈣型膨脹劑摻量水泥漿體抗壓強度Fig.1 Compressive strength of cement slurry with different amounts of calcium oxide expander

膨脹劑在水化過程中的抑制體積膨脹常用于抵消水泥基材料收縮引起的應變。有研究討論了實驗室制備的氧化鈣型膨脹劑在煤層氣中的水化膨脹過程及其模型。采用等溫量熱法與熱重/差熱分析方法,研究了氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中的水化行為,在此基礎上分析了氧化鈣型膨脹劑的水化動力學,計算了氧化鈣型膨脹劑的表觀水化活化能。基于水化程度建立了氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中膨脹的化學-力學模型,該模型可對含氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體膨脹性能及抗裂性能進行預測。圖2顯示了變溫度歷史及在此溫度歷史下水泥漿體中4%氧化鈣型膨脹劑引起的膨脹模擬結果。如圖2(b)所示,前期模擬結果與實驗結果吻合較好,最大膨脹應力約為6 Mpa,但隨著膨脹劑趨于完全水化,模擬應力趨于恒定,實驗應力則呈下降趨勢,無法用簡化的化學-力學模型來模擬。

圖2 變溫度條件下氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中膨脹的模擬結果與實驗結果對比Fig.2 Comparison of simulation and experiment results of the expansion of calcium oxide expander in cement slurry at different temperature

1.2 硫鋁酸鹽型膨脹劑可減少水泥材料收縮量

混凝土早期潛在的收縮開裂不僅受收縮速率及收縮潛力的影響,還受強度發展、應力松弛特性及約束程度的影響。由于摻和料細度高,水膠比低,材料的收縮應變強度在早期出現了非常急劇的增加。因其優異的機械性能及薄板型結構,更快的收縮率與更小的截面積大大降低了復合材料抗早期收縮裂紋的能力。為了降低收縮開裂的可能性,YOO等[5]研究了一種基于硫鋁酸鈣的膨脹劑對直、扭鋼纖維增強超高性能混凝土拉伸性能的影響。考慮了5種不同的硫鋁酸鹽型膨脹劑值,范圍從0%～8%。在膠凝基質中添加硫鋁酸鹽型膨脹劑的主要目的是減少收縮量,故評估了其對直、扭鋼纖維增強超高性能混凝土自由收縮響應的影響。試驗結果表明,與普通直、扭鋼纖維增強超高性能混凝土相比,添加6%和8%的硫鋁酸鈣膨脹劑,直、扭鋼纖維增強超高性能混凝土基體的收縮應變分別減小了約7%、10%。除了直纖維試件的抗拉強度外,加入硫鋁酸鈣膨脹劑并增加添加量后,直纖維與扭曲鋼纖維試件的抗拉強度、應變能力及g值等大部分抗拉參數都有所惡化。

1.3 氧化鎂基(MgO)膨脹劑可令水泥基材料具有自愈能力

硫鋁酸鹽型與氧化鈣型膨脹劑是制備收縮補償混凝土應用最廣泛的膨脹劑,但熱穩定性差、水化速度不可控等缺點限制了其使用。氧化鎂膨脹劑是一種新興的極具發展前景的膨脹劑,由菱鎂礦煅燒而成,其反應性容易受煅燒條件(如窯溫和停留時間)的控制。Sherir等[6]研究了以氧化鎂為膨脹自愈劑制備工程膠凝復合材料(ECCs)的性能。ECCs在極限荷載作用下仍能保持小于60 mm的小裂紋寬度,從而促進裂紋自愈,改善結構構件的力學性能。采用不同的試驗方案,

通過研究預加載多重損傷(破裂)立方體及柱形試件在長期水養護和自然養護條件下的強度(抗壓和彎曲)及超聲脈沖速度的發展與恢復,量化提出的ECC-MgO體系(以5% MgO膨脹劑作為粉煤灰替代ECC基體)的長期自愈能力。從圖3可以看出,50%和80%預裂ECC-MgO試件無論是水固化還是自然固化,其抗壓強度的發展趨勢與ECC試件幾乎相似。兩者之間的相似性是,50%和80%水固化預裂ECC-MgO立方體試件在240 d后恢復到對照組的強度,而兩種水平的自然固化預裂ECC-MgO試件在60 d后開始恢復強度。在相同養護條件下,水固化與自然固化的80%預裂ECC-MgO立方體試件在300 d齡期的抗壓強度分別比50%預裂試件提高3.7%和8.5%。這可以歸因于在80%預裂ECC-MgO試樣中存在更多裂縫的情況下通過長時間養護獲得了足夠的水分。預加載開裂的ECC-MgO試件通過微裂紋的修復,有較高的恢復原狀(未開裂)試件原始力學性能的傾向,從而證實了所提出的ECC-MgO系統的自愈能力。

圖3 混合料抗壓強度隨時間變化的自愈特性評價Fig.3 Evaluation of self-healing properties of compressive strength of mixture with time

2 結束語

收縮是水泥材料的化學與物理變化過程,這些變化會導致體積的變化,引發開裂、變形、強度下降等問題。水泥基灌漿材料結構在早期會出現裂縫及孔隙,這將降低水泥混凝土的耐久性。外力作用、巨大的水化熱或其他腐蝕作用會導致水泥混凝土出現裂縫,降低水泥基灌漿材料的機械強度及耐久性。在實際工程中,當水泥基灌漿材料處于養護初期時,需添加膨脹劑補償收縮來抑制開裂。硫鋁酸鹽型、氧化鎂型膨脹劑及氧化鈣型膨脹劑是應用最廣泛的膨脹劑,在水化過程中抑制體積膨脹來抵消水泥基材料收縮引起的應變。需對不同類型的膨脹劑進行深入研究,以提高水泥基灌漿材料結構的延展性及耐久性。