摻外加劑對 MgO水泥砂漿和混凝土壓蒸膨脹率的影響

李曉勇,陳學茂,李承木

(1.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院科研所,四川 成都 610072;2.貴州中水建設(shè)項目管理公司,貴州 貴陽 550002)

1 前 言

我國的外加劑已有近200種,已被廣泛用于混凝土工程中。我國規(guī)劃設(shè)計部門已把混凝土外加劑視為混凝土的第五種必要的組成材料。摻外加劑可使混凝土用水量減少10%～40%,外加劑是配制高品質(zhì)混凝土及超高強混凝土不可缺少的材料。采用混凝土外加劑是節(jié)約水泥、減少溫度裂縫、提高耐久性能、降低工程造價的有效措施,同時也是提高混凝士質(zhì)量、改善混凝土性能、加快施工速度、改革施工工藝的重要途徑。在我國水電行業(yè)一般多采用復合萘系高效減水型外加劑,減水率可達到20%以上,其技術(shù)經(jīng)濟效益十分顯著。為了探索不同品種外加劑對壓蒸膨脹率的影響及規(guī)律,本文特對用標準砂和工程砂制作的外摻 MgO水泥砂漿和混凝士摻不同品種外加劑和摻與不摻外加劑的試體進行壓蒸試驗研究[1-2],通過試驗發(fā)現(xiàn)并揭示其基本規(guī)律以及相容性。這對制定壓蒸安定性試驗方法,真實可靠地解決工程實際問題具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 試驗條件與方法

2.1 原材料

(1)水泥:三江和云浮水泥廠生產(chǎn)的 32.5普通水泥和 42.5PⅡ硅酸鹽水泥。

(2)粉煤灰:黃埔熱電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉媒灰。

(3)外加劑:廣州海力新材料公司生產(chǎn)的 GCli-3K 1木鈣減水劑、浙江龍游廠生產(chǎn)的 ZB-1A荼系高效減水劑。

(4)氧化鎂膨脹劑:遼寧海城東方滑鎂公司生產(chǎn)的粉狀 MgO,細度 180目,活性指標 244s,MgO含量大于92%。

2.2 試驗條件和方法

(1)Ⅰ級配混凝土骨料:采用壩美工程灰?guī)r和長沙花崗巖加工成的(5～20mm)小石子;細料為天然河砂與標準砂兩種,砂率 42%,單位膠材為 309kg/m3。

(2)試體尺寸:砂漿試體為:30mm×30mm×280mm;Ⅰ級配混凝士為:55mm×55mm×280mm。

(3)試驗方法:按照 SD105-82《水工混凝土試驗規(guī)程》有關(guān)規(guī)定進行;壓蒸試驗參照 GB/T750-92《水泥壓蒸安定性試驗方法》進行。

3 摻不同外加劑對水泥砂漿和混凝土壓蒸試驗結(jié)果的影響

試驗采用壩美工程材料,水泥為三江利達多牌32.5普通水泥,不摻粉煤灰,外加劑 GCli-3k1摻1.5%、ZB-1A摻 0.6%,細料為標準砂和工程河砂,水灰比為 0.50,灰砂比為 1∶3,并考慮外加劑的減水效應(yīng),試驗結(jié)果見表1。

表1 摻不同外加劑的水泥砂漿和混凝土試體的壓蒸試驗結(jié)果

3.1 外摻MgO水泥砂漿試體摻不同外加劑的壓蒸試驗結(jié)果

外摻 MgO為 5.5%和 7.5%的砂漿試體的壓蒸試驗結(jié)果見表1。從表1可見,無論是標準砂還是工程砂的砂漿試體壓蒸試驗結(jié)果都是:摻外加劑GCli-3k1的壓蒸膨脹率最大,摻 ZB-1A的次之,不摻外加劑的最小。如摻 MgO為 7.5%的標準砂和工程砂試體,對應(yīng)兩種不同外加劑的壓蒸膨脹率依次分別為 1.551%、0.719%、0.257%和 2.081%、1.784%、0.613%。同時還可看出,工程砂試體的壓蒸膨脹率都大于標準砂的膨脹率。再考慮外加劑的減水作用即減水 10%后,摻外加劑 ZB-1A的膨脹率由 0.719%減至 0.581%,摻 GCli-3K1的由1.551%減至 0.712%,壓蒸膨脹率減小達 20%～50%,但仍比不摻外加劑的大 1.5倍～2.0倍。當MgO摻量較小如 5.5%時,摻外加劑對砂漿試體膨脹率的影響較小,減水后摻與不摻的膨脹率相差不大;當 MgO摻量較大為 7.5%時,膨脹率較大,尤其在膨脹率超過 0.5%標準之后,外加劑對砂漿膨脹率的影響更大,即減水后的膨脹率仍然相差較大。這說明砂漿試體不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果才是比較真實的。這是因為,當摻入高效減水型外加劑后,改善了繼續(xù)充分水化的條件,使水泥砂漿體變稀,微細小氣泡增多,總的含氣量增加,在振動成型時易產(chǎn)生分層離析,而氣泡又不易排出,從而降低了砂漿試體的均勻性、密實性和強度,致使摻外加劑的砂漿試體的壓蒸膨脹率增大。

表1中的強度試驗結(jié)果表明,基本上都是強度高的壓蒸膨脹率小,反之則大,反映出試體強度與壓蒸膨脹率成反比的一般規(guī)律。此外,外加劑的種類很多,化學成分不同,它們的作用機理不完全相同,它們的活化性能、引氣能力、擴散作用強弱、減水率大小、對強度的影響也不同,所以摻不同品種外加劑對壓蒸膨脹率的影響是不同的。何況外加劑與膠凝材料都存在相容性試驗選擇問題。

例如,摻入復合型高效緩凝減水劑,它由三種成分組成:(1)減水成分最常用的是萘系高效減水劑,如 FDN、ZB-1A等。(2)引氣成分常用的是松香熱聚物 AE引氣劑,以提高耐久性能。(3)緩凝成分都有較好的適應(yīng)性,按化學物質(zhì)分為有機和無機兩類:有機類的主要是一些含有多羥基的能與 Ca2+形成不穩(wěn)定絡(luò)合物的易被水泥吸附的大分子量化合物,吸附層越厚越緊密,緩凝作用效果越顯著,如木鈣(MG)、糖鈣(TG)、糖蜜 (PT)和多羥基羧酸鹽等。各種糖都具有很強的緩凝作用,摻量為 0.2%時,初凝時間巳超過 9h。(MG、TG)緩凝劑對混凝土初強的影響明顯,顯然也會影響壓蒸膨脹率,其影響比減水型還大。無機類的是一些能與水泥中的C3A和水泥水化生成的 Ca2+形成類似鈣礬石的難溶鈣鹽絡(luò)合物,并包裹水泥顆粒阻止水泥水化的簡單化學成品,如硼酸鹽和磷酸鹽等。

3.2 外摻MgO混凝土試體摻外加劑并比較減水后的壓蒸試驗結(jié)果

試驗采用壩美工程材料,比較摻與不摻外加劑以及考慮減水作用三種情況。摻 GCli-3K 1外加劑 1.5%,減水 10%,水灰比為 0.5,灰砂比 1∶3,分別以標準砂和工程河砂成型Ⅰ級配混凝土試體,外摻 MgO為 7.5%的壓蒸試驗結(jié)果見表1。

從表1可知,混凝土試體的壓蒸膨脹率是摻外加劑的小,不摻的大;考慮外加劑減水效應(yīng)的壓蒸膨脹率小,不考慮減水的稍大。在相同試驗條件下,工程砂混凝土試體的壓蒸膨脹率大于標準砂的膨脹率。同時還可看出,混凝土試體壓蒸膨脹率的變化較小,摻與不摻外加劑的壓蒸膨脹率相差不大,比砂漿試體壓蒸膨脹率的變化小得多。總之,大量實踐說明,混凝土試驗應(yīng)該采用加外加劑成型試體,并考慮外加劑的減水效應(yīng),所做壓蒸試驗的結(jié)果才是真實的,也才符合工程實際情況。

微觀研究表明,沒摻外加劑的混凝土的各種生料加水拌和后,水泥顆粒立即被水膜包裹,其礦物由表及里開始水解水化,同時水化生成物逐漸凝聚,其凝聚力遠大于水對水泥顆粒內(nèi)部的浸潤能力,對水化、水解作用產(chǎn)生阻滯作用。新生物環(huán)繞在水泥顆粒周圍,致使其內(nèi)部形成沒有水化的“核”,從而縮小了其水化面積和水化深度。當摻入高效減水型外加劑后,因吸附陰離子而帶有負電,使其周圍的水產(chǎn)生極性,同性離子相斥,阻止了水泥相鄰離子的相互接近,引起分散和分離效果,從而提高了水泥顆粒的吸附和擴散作用,抑制了水泥漿體的凝聚傾向,增大了水泥顆粒與水的接觸面積,使水泥得以繼續(xù)充分水化。并在擴散的過程中,同時釋放出了凝聚體所包圍的游離水,這時水泥漿由網(wǎng)狀凝聚結(jié)構(gòu)變成溶膠結(jié)構(gòu)物,故此,水泥砂漿體變稀,混凝土的流動性增大,骨料間的潤化性能提高,摩阻力減小,在混凝土振動成型時容易振搗密實,因而提高了混疑士試體的強度,增強了試體抵御及約束膨脹的能力,所以其壓蒸膨脹率減小了。況且這種關(guān)系在表1中的強度試驗結(jié)果得到了證明。

4 外摻 MgO水泥砂漿和混凝士試體摻與不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果

試驗采用長沙工程材料,云浮金鷹牌 42.5PⅡ硅酸鹽水泥,摻黃埔粉煤灰 30%,外加劑 ZB-1A摻 0.6%,標準砂和工程砂的水膠比分別為 0.50和0.49、灰砂比分別為 1∶3和 1∶2.76,以摻外加劑與不摻兩種情況成型砂漿和混凝土試體做壓蒸試驗。

4.1 外摻 MgO水泥砂漿試體摻與不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果(見表2)

由表2可見,無論是標準砂還是工程砂試體的壓蒸膨脹率都隨 MgO摻量的增加而增大,且壓蒸膨脹率都是摻外加劑的大于不摻外加劑的。當MgO摻量較少如標準砂摻 6%、工程砂摻 5%時,砂漿試體摻與不摻外加劑的壓蒸膨脹率相差不大;當MgO摻量較大,超過 5%或 6%時,砂漿試體摻比不摻外加劑的壓蒸膨脹率大 1倍以上。相對壓蒸安定性合格標準 0.5%的 MgO的極限摻量:標準砂和工程砂試體摻與不摻外加劑 MgO的極限摻量分別為7.25%、8.05%和 6.00%、7.10%。這表明在相同試驗條件下,標準砂漿試體 MgO的極限摻量大于工程砂,兩者之差在 1%左右。強度試驗表明,無論是標準砂還是工程砂漿試體,在不同 MgO摻量下的抗拉及抗壓強度,都是摻外加劑的小于不摻外加劑的。這是因為摻外加劑的壓蒸膨脹率大,不摻的膨脹率小。這再次說明了試體強度與膨脹率成反比的規(guī)律。另外還可看出,在 MgO的最大極限摻量范圍內(nèi)的拉、壓強度的變化較小,且值是比較接近的;一但超過此值范圍,其值下降較大,差值也大。

4.2 外摻 MgO混凝土試體摻與不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果(見表3)

從表3可知,采用標準砂和長沙工程河砂制作的Ⅰ級配混凝土試體的壓蒸試驗的基本規(guī)律是:壓蒸膨脹率都是隨著 M gO摻量的增加而增大;摻外加劑的壓蒸膨脹率都小于不摻外加劑的膨脹率,而且兩者的膨脹率比較接近,相差不大。對應(yīng)壓蒸安定性試驗標準 0.5%的 MgO的最大極限摻量:摻外加劑的稍大于不摻外加劑的,標準砂混凝土試體的大于工程砂試體,即標準砂混凝土試體摻與不摻外加劑的極限摻量分別為 8.75%和 8.60%,而工程砂試體的分別為 6.80%和 6.50%,兩者的差值都在2%以內(nèi)。表3中的強度試驗表明,混凝土試體壓蒸試驗后的抗壓、抗拉強度都是摻外加劑的稍高于不摻的,標準砂制作的混凝土試體的強度大于工程砂的?？傊?隨著 MgO摻量的增加而強度的波動變化較小,在 MgO的極限摻量范圍內(nèi)與不摻 MgO的比較,其強度還有所提高,一般可提高 10%以上[3]。

表2 外摻不同 MgO的砂漿試體摻與不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果

表3 不同M gO摻量的混凝土試體摻與不摻外加劑的壓蒸試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

通過對采用標準砂和工程砂制作的外摻 MgO水泥砂漿和混凝土試體摻不同品種外加劑和摻與不摻外加劑試體的壓蒸試驗研究表明,摻不同品種外加劑對砂漿和混凝土試體壓蒸膨脹率的影響是不同的,其中緩凝類型對壓蒸膨脹率的影響比減水型的大。同時闡明了壓蒸膨脹率的基本規(guī)律:即砂漿試體摻外加劑的比不摻的大,其壓蒸膨脹率的變化也較大,兩者的極限摻量相差在1%左右;混凝土試體摻外加劑的比不摻的小,其壓蒸膨脹率的變化較小,兩者的極限摻量接近。然而,混凝土試體的壓蒸膨脹率都比砂漿試體的小;標準砂試體的壓蒸膨脹率又比工程砂的小,其極限摻量卻比工程砂的大。試驗結(jié)果還表明,凡是壓蒸后試體的強度高的,其壓蒸膨脹率就小,反之則大。這符合試體強度與壓蒸膨脹率成反比的一般規(guī)律。筆者建議:在用工程材料做壓蒸試驗時,采用砂漿試體時不摻外加劑,若摻外加劑就必須考慮減水作用;采用混疑土試體時一定要摻外加劑。以上這些基本規(guī)律可供外摻 MgO混凝土筑壩技術(shù),在制定壓蒸安定性試驗方法時借鑒或參考。

[1]劉振威.外摻 MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術(shù)應(yīng)用研究成果總報告[R].廣東省水利廳,廣東省水電設(shè)計院,廣東省水科院等,廣州:廣東省水利廳,2005年 2月.

[2]陳理達.外摻 MgO水泥混凝土體積安定性試驗研究[R].廣州:廣東省水利水電科學研究院,2003年 9月.

[3]李承木,陳學茂,李曉勇.關(guān)于外摻 MgO混凝土壓蒸安定性試驗的幾個問題[J].廣東水利水電,2009(6):1-4.