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mgo微膨胀混凝土试验与应用探究

MgO 微膨胀混凝土的试验与应用探究
张 龙 安映东 曾庆文 陈书军 (中国水电三局有限公司勘测设计研究院)

[摘要]

混凝土在硬化和干燥过程中,由于化学收缩、干燥收缩、自收缩等原因,存

在体积收缩的问题。特别在混凝土结构修补、二次结构的维护、孔洞的封堵等工程中, 很难有效的与结构原有部分粘结。那么微膨胀混凝土的应用,会使此类问题得到解决。 本文阐述了 MgO 微膨胀混凝土的原理及自生体积变形分析的计算模型, 着重介绍了向家 坝水电站上围堰施工支洞堵头 MgO 微膨胀混凝土的实验研究。 其在向家坝水电站工程中 的应用,技术效益显著,以便同行业参考。 [关键词] MgO ] 微膨胀混凝土 数学模型 试验研究

一、引言
微膨胀混凝土在各类工程中的应用,已日趋广泛。尤其是 MgO 微膨胀混凝土,从上 世纪八十年代开始至今,工程界对其深入研究,它的力学性能,耐久性,特别对膨胀性 能做了大量工作,得出了较实用的计算自生体积变形的数学模型,为 MgO 微膨胀混凝土 在实际工程中的应用提供理论依据。诸多的实验,为 MgO 微膨胀混凝土配合比的研究, 积累了大量经验,使得从选材配制到生产应用,趋于成熟。 二、MgO 微膨胀混凝土原理 微膨胀混凝土,是指微膨胀剂掺入混凝土后,混凝土在硬化过程中因化学作用产生 一定体积膨胀。掺 MgO 类膨胀剂主要是通过氧化镁水化生成氢氧化镁结晶(水镁石) 而 产生膨胀,体积可增加 94.4%~123.8%: MgO+H2O→Mg(OH)2 而国标中又规定水泥熟料中 MgO≦5.0%。由于制备水泥生料中,石灰石中含有 MgCO3 ,硅酸盐水泥熟料是经过 1450℃左右煅烧而成的,因而其中含有 2%~4%方美石

(MgO) ,这种方美石水化成 Mg(OH)2 的过程十分缓慢,过量的高温煅烧 MgO 后会产生后 期膨胀,导致混凝土结构破坏,所以水泥标准予以限制。而氧化镁类膨胀剂与之不同, 它一般是在 800℃~900℃温度下煅烧的白云石,在经过磨细制的。按水泥质量 5%~9% 左右掺入混凝土中后,能够达到符合要求的膨胀性能。普通混凝土存在的干缩、化学收 缩、蠕变、温差效应所造成的收缩变形,在混凝土初凝后已开始显现。而 MgO 微膨胀混 凝土大约 80%的膨胀发生在 20d~1000d 之间,膨胀稳定,对混凝土的抗裂、体积收缩 有显著效果。再加上 MgO 微膨胀剂生产工艺简便、价格较低廉、研究成熟度高,所以在 工程领域内应用广泛。

三、MgO 微膨胀混凝土温变条件下体积变形的数学计算模型
毋庸置疑 MgO 微膨胀混凝土具有一定得膨胀性, 那么工程界更需要对其膨胀规律的 定量研究,以便于在各类工程中有益应用。国内外对氧化镁微膨胀混凝土在恒温或变温 条件下的自生体积变形也做了大量探索,得出了较可靠的数学模型。大量有效的试验结 果表明,计算值与原型资料是相吻合的。 3.1 双曲线模型 根据 MgO 微膨胀混凝土在恒温条件下的变形特性,选用双曲线模型:

εg =

t a1T t + b1T b2
a2

(1)

其中: ε g (T , t ) : 任意温度、 龄期下混凝土的自生体积变形; t : 不同的龄期, d (天);
0 T :不同的温度, C ; a 1 、 a 2 、 b1 、 b2 为常系数。

3.2 自生体积变形的计算方法 对双曲线模型的自生体积变形进行泰勒级数展开,保留一阶项,得到 MgO 砼自生体 积变形的表达式:
方法一、 ?ε n
g
常规法

=

a 2T ′ b2 (t ? t ) × 10 ?6 ′ b1 t mid + a 2T ′ b2 ) 2 n n ?1 (a1T

(2)

方法二、 ?ε n

g
当量法

a 2T ′ b2 = (t n ? t n ?1 ) × 10 ? 6 * b1 b2 2 (a1T ′ t n ?1 + a 2T ′ )

(3)

′ 式中, T =

Tn +Tn ?1 2

* ; Tn ?1 , Tn 分别为 t n ?1 , t n 时刻的温度; t mid 为中点时刻; t n ?1 为当

量龄期所对应的时刻。研究表明,常规方法适用于 MgO 微膨胀混凝土在长期恒温下的体 积变形特性;当量龄期法较适用于 MgO 微膨胀混凝土在长期变温下的体积变形特性。

四、向家坝水电站上围堰施工支洞堵头 MgO 微膨胀混凝土配合比的实验研 究
4、1 向家坝水电站上围堰施工支洞堵头微膨胀混凝土技术要求见表 1
表 1 混凝土主要性能指标表 序号 1 强度等级 C20 级配 一 坍落度(cm) 20~22 抗冻 F150 抗渗 W8 备注 微膨胀

4、2 配合比原材料的优选 4、2.1 水泥的选择与普通混凝土有所区别,主要考虑与 MgO 类膨胀剂及与其他混 凝土外加剂的适应性,根据施工支洞堵头混凝土的设计要求,塌落度 20~22cm,含气 量要求 4%~6%。为了保证堵头混凝土混凝土的和易性及施工性能,考虑到减水剂与引 气剂的联合掺入。借鉴向家坝工程普通混凝土中热水泥与减水剂、引气剂的良好的适应 性,所以本次试验选用中热硅酸盐水泥,根据向家坝工程双马中热水泥品质检测统计结 果看,比表面积平均值 290(m2/kg),粉磨较粗,并且 SO3 含量较低,有利于膨胀性能的 发挥,并有较高的后期强度发展。双马中热水泥检测结果见表 2;
表 2 四川双马中热 42.5 水泥检测成果表 水泥厂家 四川双马 项目 检测值 安定性 合格 必须 合格 凝结时间 初凝 min 228 ≥60 终凝 h 4.6 ≤12 抗折强度(MPa) 3d 4.7 7d 6.2 28d 8.4 抗压强度(MPa) 3d 22.3 7d 30.3 28d 55.1

向家坝工程技术要求

≥3.0 ≥4.5 ≥7.5 ≥12.0 ≥22.0 ≥42.5

4、2.2 本次试验掺合料选用泸州地博Ⅰ级粉煤灰,粉煤灰的掺入可降低水泥用量, 增强混凝土的和易性。同时也减少混凝土的干缩、与化学收缩。试验时注重控制 SO3 的 含量,因硫酸盐与硅酸盐发生化学反应后,生成钙矾石,如果 SO3 的含量过大,生成的 钙矾石过多,则会引起混凝土的体积不稳定,影响到 MgO 类膨胀剂作用。粉煤灰检测结

果见表 3;
表 3 粉煤灰品质检测成果表 检 验 项 目 检测值 向家坝工程技术要求 细度 (%) 8.9 ≤12 需水量比(%) 92 ≤95 含水率 (%) 0.2 ≤1.0 烧失量 (%) 1.72 ≤5.0 三氧化硫 (%) 0.92 ≤3.0

4、2.3 粗细集料选用采用向家坝水电站马延坡人工砂石加工系统生产的人工砂石, 其品质检测成果见表 4 和表 5。
表 4 人工砂品质检测成果表 检验项目 检测值 向家坝工程技术要求 细度模数 2.74 2.6~2.8 表5 粒径 (mm) 5~20 表观密度 (kg/m3) 2680 表观密度 3 (kg/m ) 2690 ≥2500 吸水率 (%) 0.5 -泥块含量 (%) 0 不允许 石粉含量 (%) 13.2 10~18

粗骨料品质检测成果表 泥块 含量 (%) 0 石粉 含量 (%) 0.2 D20、D40 ≤1.0 D80、D150 ≤0.5 超逊径颗粒含量 超径 (%) 0 中径 (%) 68 针片状 颗粒 逊径 含量 (%) (%) 3 4 压碎 指标 (%) 9.1

种类

人工碎石

向家坝工程技术要求

≥2550

不允许

<5

40~70 <10

≤15

≤12

4、2.4 化学外加剂选用减水剂与引气剂联合掺入,减水剂采用巴斯夫 26R,引气剂 采用浙江龙游五强 ZB-1G。微膨胀混凝土掺加外加剂必须谨慎,首先考虑化学外加剂与 原材料的适应性,以及外加剂的同时掺入会不会产生不良反应,进而出现不良效果。 其 次是各种外加剂的掺量,都需经过科学试验进行验证。向家坝工程普通混凝土同时掺入 减水剂引气剂,外加剂与混凝土原材料适应性良好,微膨胀混凝土配制时又加入 MgO 类 膨胀剂, 由于其化学成份较其它膨胀剂单一, 未与水泥、 减水剂、 引气剂产生相互作用, 混凝土拌合物品质仍然较好。减水剂、引气剂、MgO 类膨胀剂的检测结果见表 6,表 7, 表 8;

表 6 减水剂品质检测结果表 减水剂名称 26R 掺量 (%) 0.7 减水率 (%) 27.9 ≥25 含气量 (%) 1.8 ≤2.5 泌水率比 (%) 12 ≤60 凝结时间差 (min) 初凝 +130 终凝 +185 3d 174 抗压强度比 (%) 7d 154 28d 138

向家坝工程技术要求

>+90

≥155 ≥145 ≥130

表 7 引气剂品质检测结果表 引气剂 名称 ZB-1G 掺量 (1/万) 1.4 减水率 (%) 7.3 ≥6 含气量 (%) 4.0 4.5±0.5 泌水率比 (%) 66 ≤70 凝结时间差 (min) 初凝 -35 终凝 -15 抗压强度比 (%) 3d 90 7d 90 28d 109

向家坝工程技术要求

-90~+120

≥90 ≥90 ≥85

表 8 氧化镁品质检测成果表 检 验 项 目 检测值 Q\3200JJK016-2008 《HME-Ⅰ型水工混凝土膨胀剂》 烧失量(%) 1.04 ≤4.0 表观密度(g/cm3) 3.29 --

4.3 混凝土配合比及混凝土性能试验成果 此次试验配制的 C20 微膨胀混凝土满足技术要求,混凝土和易性好,不粘稠,保水 性好,不泌水,无板结,同时具有良好的力学性能,抗冻、抗渗等耐久性能达到了理想 效果。从向家坝水电站上围堰支洞堵头混凝土的施工结果看,满足现场施工要求,从坝 后厂房工程的缺陷修补及后期空洞封堵效果看, 确保新老混凝土的紧密结合和建筑物的 整体性要求。无漏水、渗水、裂纹裂缝等问题,可见其膨胀性能也达到了预期目的。 混 凝土配合比试验成果见表 9,表 10;
表9 序号 1 强度等级 C20 微膨胀 级配 一 水胶比 0.42 混凝土试验配合比参数 凝土 比参 用水量 (kg/m3) 147 粉煤灰 (%) 25 砂率 (%) 46 氧化镁 (%) 4 26R (%) 0.7 ZB-1G (/万) 0.70

注:氧化镁按 90%有效成份计,计算公式:氧化镁掺量 %=(氧化镁用量×有效成份%)/(胶材用量+氧化镁用量)

表 10 混凝土性能试验成果表 序号 1 强度 等级 C20 微膨胀 级配 一 坍落度 (mm) 219 含气量 (%) 5.7 抗压强度(MPa) 7d 27.2 28d 41.6 抗渗等级 W8 抗冻 等级 F150

五、MgO 微膨胀混凝土在大体积混凝土中的应用探究
MgO 微膨胀混凝土已经在一些中小型水电站大体积混凝土中应用,也取得了成功经 验。以前在大体积混凝土的施工过程中,比较重视早期的水化热,造成的大坝混凝土开 裂,并且采取了一系列温控措施,忽视了混凝土的自生体积收缩变化造成的损害。要降 低混凝土的收缩,混凝土原材料的选择尤为重要,研究几种混凝土外加剂的同时掺入的 效果,优化混凝土配合比,使得混凝土自身收缩量较小。在加上 MgO 类微膨胀混凝土的 稳定膨胀作用,使得效果更明显。 另外膨胀水泥与 MgO 类膨胀剂共同配制微膨胀混凝土, 水泥水化早期利用水化硫铝 酸钙进行膨胀,后期则利用氧化镁的缓慢水化生成氢氧化镁的膨胀,充分利用两种膨胀 源各自的优点,克服其缺点,以达到预期的膨胀性能,此项技术的成熟,有助于微膨胀 混凝土筑坝技术的进步。 那么 MgO 微膨胀混凝土的膨胀量值得我们深入探讨,之前的大量试验,拟合了一些 体积变形计算模型,但直接应用于计算结构体混凝土体积变形量,实用性不强,我们更 需要综合温变、砼结构体型、配筋率等因素,通过试验分析,拟合出可直接套用的数学 模型,用于计算结构体的体积变形量,为大体积混凝土的结构设计,及混凝土施工方案 的选择奠定理论基础。

六、结语
本文阐述了 MgO 类微膨胀混凝原理,介绍了其自生体积变形计算模型。结合向家坝 水电站上围堰施工支洞堵头 MgO 微膨胀混凝土的试验研究, 揭示了微膨胀混凝土的选材 及试验过程,积累了经验。现在人们对 MgO 类膨胀混凝土的研究成熟度高,特别是在修 补混凝土、孔洞封堵、后浇带混凝土施工中,技术效益显著,但 MgO 类膨胀剂在高性能 混凝土、钢管混凝土、轻质混凝土等特效混凝土中的研究应用甚少,值得进一步研究探 讨。

[参考文献] 1、杨光华 袁明道 水利学报,2004. 1、施惠生 2、刘数华 孙振平 邓 恺编著, 《混凝土外加剂实用技术大全》中国建材工业出版社,2008. 罗 军.《氧化镁微膨胀混凝土在变温条件下膨胀规律数值模拟的当量龄期法》

李家正译, 《混凝土配合比设计》中国建材工业出版社,2009.

3、陈建魁 编著, 《混凝土外加剂的原理与应用》中国计划出版社,1997.


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