三峽臨時(shí)船閘大體積補(bǔ)償收縮混凝土的研究

 [摘　要] 　大體積混凝土產(chǎn)生的“冷縮”對(duì)最終的體積變化產(chǎn)生重要影響,因此補(bǔ)償收縮措施與普通混凝土不同,利用低熱微膨脹水泥與輕燒氧化鎂的不同膨脹時(shí)效,產(chǎn)生雙膨脹效應(yīng),通過(guò)試驗(yàn)得到有效補(bǔ)償大體積混凝土收縮的混凝土制備工藝并成功用于實(shí)際工程,研究了輕燒氧化鎂與兩種普通膨脹劑對(duì)水化熱和體積變化的影響規(guī)律。

[關(guān)鍵詞] 　大體積混凝土; 　補(bǔ)償收縮; 　水化熱; 　膨脹劑; 　煅燒

[中圖分類(lèi)號(hào)] 　TU528101 　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] 　A 　　　[文章編號(hào)] 　1002 - 3550 (2005) 08 - 0020 - 03

0 　前言

　　三峽臨時(shí)船閘按照空間位置依次分為1 # 、2 # 和3 # 段,其中1 # 和3 # 段先期澆筑,2 # 段后期澆筑,為簡(jiǎn)化甚至取消接縫灌漿,同時(shí)保證后澆的2 # 段與1 # 、3 # 段緊密結(jié)合,2 # 段擬采用微膨脹混凝土,根據(jù)結(jié)構(gòu)和溫度應(yīng)力計(jì)算的膨脹量需達(dá)到150μm～200μm ,90天齡期應(yīng)達(dá)到C20 強(qiáng)度等級(jí), 抗凍標(biāo)號(hào)為快凍法F150 ,抗?jié)B標(biāo)號(hào)W10 ,坍落度3cm～5cm。對(duì)于普通混凝土,造成體積變化的影響因素主要是干縮及化學(xué)減縮[1 ] ,而對(duì)于大壩這種典型的大體積混凝土,由于高水化熱在降溫過(guò)程中產(chǎn)生的“冷縮”對(duì)最終的體積變化產(chǎn)生重要影響[2 ] ,即體積變化特性與普通混凝土存在明顯差異,因此采取補(bǔ)償收縮的措施不同。在此施工背景下,本研究采用輕燒氧化鎂與低熱微膨脹水泥,通過(guò)試驗(yàn)得到滿(mǎn)足要求的混凝土配合比并成功用于實(shí)際工程,并研究了輕燒氧化鎂與兩種普通膨脹劑對(duì)水化熱和體積變化影響的規(guī)律。

1 　試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)方法

1．1 　試驗(yàn)原材料

　　(1) 水泥: 湖北華新4215 普通水泥( HX4215 P·O) , 4215 低熱微膨脹水泥( HX4215 L ) ; 陜西略陽(yáng)4215 低熱微膨脹水泥(L Y4215L) ;

　　(2) 粉煤灰:湖北陽(yáng)邏Ⅰ級(jí)灰;

　　(3) 膨脹劑:分別采用江西HEA1 、武漢HEA2 以及遼寧海城輕燒氧化鎂粉。各種原材料的組成及性能指標(biāo)分別如表1 、2 、3 、4 。

　　表1 中,2 種水泥均滿(mǎn)足GB2938 - 97 關(guān)于4215強(qiáng)度等級(jí)低熱水泥的指標(biāo)要求;表2 中,兩種粉煤灰均滿(mǎn)足GB1596 - 91 對(duì)Ⅰ級(jí)粉煤灰的品質(zhì)要求;表3中,MgO 滿(mǎn)足《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求》(試行) ;表4 中,兩種膨脹劑中除武漢產(chǎn)品的凝結(jié)時(shí)間較短外其他性能相近,并且所有指標(biāo)均滿(mǎn)足JC476 - 2001《混凝土膨脹劑》的品質(zhì)要求

1．2 　試驗(yàn)方法

　　(1) 水化熱試驗(yàn)參照GB2022 - 80 采用直接法并通過(guò)自研的”多通道自動(dòng)水化熱測(cè)定儀”進(jìn)行,通過(guò)數(shù)據(jù)模塊多通道、自動(dòng)在線檢測(cè)和記錄水泥漿體水化放熱溫升變化。

　　(2) 體積脹縮試驗(yàn)參照J(rèn)C313 - 82 測(cè)試自由膨脹率,試樣分別在水中養(yǎng)護(hù)和聯(lián)合養(yǎng)護(hù)(在水中養(yǎng)護(hù)3

圖1 　FA 摻量對(duì)HX - L4215 水泥水化溫升的影響圖2

　　從圖1 看出,隨著FA 摻量的提高,水化溫峰降低、溫峰到達(dá)時(shí)間推遲,這是由于低活性礦物材料對(duì)水泥的稀釋作用而降低了水化程度,減少了水化熱;而從圖2 看出,MgO 摻量在3 %時(shí)對(duì)水化熱影響不大,當(dāng)摻量提高到5 %時(shí)顯著降低水化溫峰,說(shuō)明高M(jìn)gO 摻量可能會(huì)延緩水泥的水化進(jìn)程。

2．2 　體積變化

　　(1)MgO

　　分別采用HX 低熱和普通水泥與FA、MgO 復(fù)合天后移入標(biāo)養(yǎng)箱中養(yǎng)護(hù)) 。

2 　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 　水化熱

　　采用HX4215 低熱微膨脹水泥,并采用不同的粉煤灰和氧化鎂摻量進(jìn)行水化熱試驗(yàn),水膠比013 ,試驗(yàn)結(jié)果如表5 。

表5 　水化熱試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求

　　從表5 可以看出,隨著粉煤灰摻量的增加,各齡期的水化熱明顯降低;在20 %FA 摻量下,使用MgO使水化熱略有提高,且在3d 以前3 %的摻量比5 %摻量的水化熱高,但3d 以后至7d 的兩種水化熱基本一致。

　　FA 摻量變化對(duì)HX - L4215 水泥水化溫升影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖1 。

圖2 　MgO 摻量對(duì)水泥+ 20 %FA 水化溫升的影響

　　成型215cm ×215cm ×28cm 試樣進(jìn)行凈漿體積變化試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如圖3 、圖4 ,圖中表示了水泥與FA、MgO 的配合比例。

圖3 　HX - L4215 水泥的膨脹- 時(shí)間(對(duì)數(shù)) 曲線

　　從圖3 看出, 在低熱水泥復(fù)合MgO 后, 隨著MgO 摻量從3 %、4 %提高到5 % ,不同齡期的膨脹量顯著提高;在水泥+ 15 %FA 條件下,膨脹量隨MgO摻量從3 %提高到5 %的變化亦顯著提高,表現(xiàn)出MgO 明顯的膨脹特性。從圖4 看出,在普通水泥及普通水泥+ 30 %FA 中內(nèi)摻MgO 的膨脹規(guī)律與低熱水泥相近,只是膨脹絕對(duì)量較低熱水泥低。這說(shuō)明低熱微膨脹水泥的膨脹組分與MgO 發(fā)生了共同膨脹作用。

(2) 膨脹劑

　　分別采用華新和略陽(yáng)低熱水泥,內(nèi)摻15 %FA 和12 %的兩種膨脹劑以及5 %MgO 成型10cm ×10cm ×514cm 進(jìn)行混凝土體積變化試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果如圖5 。

圖5 　不同膨脹劑對(duì)體積變化的影響

　　從圖5 中看出,在采用HX 低熱水泥時(shí),HEA1 在3d 的早期膨脹值比HEA2 高,從5d 以后的膨脹性與HEA2 一致,說(shuō)明兩種膨脹劑的膨脹規(guī)律不同,HEA1早期的膨脹性比HEA2 強(qiáng);略陽(yáng)水泥與HEA1 復(fù)合時(shí)則表現(xiàn)出從3d 到5d 時(shí)膨脹量的顯著提高,而到后期,即從30d 以后,膨脹量開(kāi)始下降,這說(shuō)明略陽(yáng)水泥中的膨脹組分主要在早期產(chǎn)生作用; HX 水泥復(fù)合5 %MgO 的膨脹量最小,隨時(shí)間的增加而緩慢增加,說(shuō)明MgO 的膨脹性比兩種膨脹劑平緩。

3 　機(jī)理分析與實(shí)際應(yīng)用

　　在設(shè)計(jì)和配制大體積補(bǔ)償收縮混凝土?xí)r常采用微膨脹水泥或膨脹劑[3～6 ] ,其中的膨脹源按照特性一般可分為石膏型(鈣礬石型) 、氧化鈣型、鎂氧型、鐵氯型等,其中鐵氯型因引入Cl - 而受到限制。主要通過(guò)硫鋁酸鹽、CaO、游離CaO、MgO 等膨脹源在水泥水化過(guò)程中與水或水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng)生成鈣礬石AFt 、羥鈣石Ca (OH) 2 和水鎂石Mg (OH) 2 等膨脹性物質(zhì)[7 ] 。按照時(shí)間順序,依次發(fā)生鈣礬石、羥鈣石和水鎂石膨脹。

　　目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的微膨脹水泥和膨脹劑,其膨脹源主要屬于鈣礬石型。因?yàn)殁}礬石型膨脹主要發(fā)生在3d～14d 左右齡期內(nèi),在此期間產(chǎn)生的混凝土收縮占20 年全部收縮的40 %[8 ] ,因此該類(lèi)膨脹源對(duì)解決一般水泥混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償收縮或產(chǎn)生自應(yīng)力是有效的。大體積混凝土的水化熱在澆注后迅速升高,一般3d～7d 達(dá)到最高值,最高值可能達(dá)到90 ℃以上[9 ] ,其后逐步降低到室溫,降溫過(guò)程可以持續(xù)2 個(gè)月,工程中為了降低內(nèi)外溫差應(yīng)力裂縫,通常在利用循環(huán)冷卻水管道、拌和水加冰等方法降低內(nèi)部溫度的同時(shí)對(duì)外部保溫,于是整體結(jié)構(gòu)的降溫過(guò)程更長(zhǎng)。由于溫差大、降溫時(shí)間長(zhǎng),其間產(chǎn)生的“冷縮”一方面對(duì)體積變化的影響增大,另一方面則滯后于一般膨脹劑的有效膨脹期。MgO 產(chǎn)生的水鎂石膨脹一般在2～6 個(gè)月才表現(xiàn)出來(lái),并可以持續(xù)2 年甚至更長(zhǎng)[10～11 ] ,因此可以有效地補(bǔ)償大體積混凝土的“冷縮”以及水泥水化后期剩余的收縮。

　　根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果提出了三峽臨時(shí)船閘大體積補(bǔ)償收縮混凝土的參考配比設(shè)計(jì),實(shí)際工程采用華新4215 低熱微膨脹水泥+ MgO 的雙膨脹技術(shù)路線,膨脹量、強(qiáng)度、抗凍及抗?jié)B標(biāo)號(hào)等各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,工程運(yùn)行狀況良好。

4 　結(jié)論

　　(1) 水化熱試驗(yàn)表明,在低熱微膨脹水泥基礎(chǔ)上復(fù)合3 %～5 %的MgO 膨脹劑對(duì)水化熱影響不大,MgO 使7d 以?xún)?nèi)的水化熱降低10kJ / kg 左右。

　　(2) 水泥凈漿試驗(yàn)表明,低熱微膨脹水泥+ MgO的膨脹量比普通水泥+ MgO 的膨脹量顯著提高;兩種體系以及水泥+ 粉煤灰+ MgO 的體系中, 隨著MgO 的加入并從3 %摻量提高到5 %摻量的膨脹量逐步增加;粉煤灰的加入降低了膨脹量。

　　(3) 混凝土試驗(yàn)表明,兩種膨脹劑與華新低熱微膨脹水泥復(fù)合后的膨脹規(guī)律相近,江西膨脹劑的膨脹量比武漢膨脹劑略高;兩種低熱水泥與武漢膨脹劑復(fù)合的膨脹規(guī)律不同,略陽(yáng)水泥早期的膨脹量較高,后期有下降趨勢(shì),華新水泥則隨著時(shí)間持續(xù)增加。低熱微膨脹水泥+ MgO 明顯比低熱微膨脹水泥+ 膨脹劑的膨脹量低。

　　(4) 采用低熱微膨脹水泥+ MgO 的技術(shù)路線能夠產(chǎn)生雙重膨脹效應(yīng),有利于防治大體積混凝土一般的化學(xué)收縮和較嚴(yán)重的“冷縮”,實(shí)際應(yīng)用狀況良好。

[參考文獻(xiàn)]

　　[1]袁潤(rùn)章. 膠凝材料學(xué)[M] . 武漢,武漢理工大學(xué)出版社,1996. 10 :168.

　　[2]高培偉,吳勝興,林萍華等. 水泥基材料體積穩(wěn)定性對(duì)大壩混凝土開(kāi)裂的影響[J ] . 水利發(fā)電,2005 (3) :33 - 35.

　　[3]陳益民. 大體積混凝土補(bǔ)償收縮研究新趨勢(shì)—MgO 膨脹源[J ] . 中國(guó)建材科技,1995 (10) :14 - 15.

　　[4]鄧凈. 硅粉微膨脹混凝土在漁洞水庫(kù)溢流建筑中的應(yīng)用[J ] . 云南水力發(fā)電,1997 (1) :45 - 48.

　　[5]王紅旗,方新江,劉曉峰,張錦勇. 外摻MgO 混凝土拱壩應(yīng)力分析[J ] . 中國(guó)農(nóng)村水利水電,1999 (8) :25 - 28.

　　[6]張子明,張研,宋智通. 水化熱引起的大體積混凝土墻溫度分析[J ] . 河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2002 (7) :22 - 28.

　　[7]朱洪波,馬保國(guó). 利用多種工業(yè)廢渣制備水泥混凝土膨脹劑[J ] . 新型建筑材料,2005 (1) :19 - 20.

　　[8]重慶建筑過(guò)程學(xué)院和南京工學(xué)院. 混凝土學(xué). 北京,中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1985. 7 :60.

　　[9]馬保國(guó),張平均,許嬋娟,等. 微礦粉在大體積混凝土中水化熱及抗裂分析[J ] . 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2003 , (11) :18 - 22.

　　[10]李承木. MgO 混凝土自生體積變形的長(zhǎng)期研究成果[J ] . 水利發(fā)電,1998 , (6) :53 - 57.

　　[11]姚曉,唐明述. 鎂氧類(lèi)水泥膨脹劑的作用機(jī)理及影響因素[J ] . 油田化學(xué),1997 , (12) :372 - 376.

[作者簡(jiǎn)介] 　胡利民,1962 年生,在讀博士,湖北華新水泥股份有限公司質(zhì)量總監(jiān)。

[單位地址] 　武漢理工大學(xué)硅酸鹽工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室501 室(430070)

[聯(lián)系電話] 　027 - 87640064 ,61340461 ; E - mail : zhuhong1965 @163.com