粉煤灰對MgO混凝土長齡期自生體積變形的影響

顏少連 陳昌禮

摘要：為了探索粉煤灰對MgO混凝土長齡期自生體積變形的影響規(guī)律，在室內(nèi)測試了長達(dá)4 a齡期的不同粉煤灰摻量的MgO混凝土的自生體積變形，并從部分試件中鉆孔取芯進(jìn)行電鏡掃描觀測及能譜分析。結(jié)果表明：隨著齡期的延長，粉煤灰對MgO混凝土的長齡期自生體積膨脹變形的抑制作用增強(qiáng)，且粉煤灰對一、二級配MgO混凝土的長齡期自生體積膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于三級配MgO混凝土。同時，摻入適量粉煤灰后，長齡期MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

關(guān)鍵詞：MgO混凝土；粉煤灰；自生體積變形；微觀結(jié)構(gòu)；電鏡掃描

中圖分類號：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0153-05

Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the long-term autogenetic volume deformation of concrete mixed with magnesium oxide（MgO），the long-term autogenetic volume deformation of up to 4-year-old MgO concrete specimens with different contents of fly ash was measured，and cores were taken from part of specimens for scanning election microscopy（SEM）and energy spectrum detection.The results showed that the longer the time was，the stronger the inhibitory effect of fly ash on autogenetic volume deformation of MgO concrete was，and it was strongest for one-grade MgO concrete，followed by the two-grade MgO concrete and three-grade MgO concrete.The microstructure of MgO concrete with fly ash in proper content was densified gradually with ages.

Key words：MgO concrete；fly ash；autogenetic volume deformation；microstructure；scanning election microscopy

大體積混凝土在服役過程中，會不同程度地出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致混凝土工程抗裂能力降低。有些貫穿性裂縫甚至?xí)＜罢麄€工程的安全。1980年，美國學(xué)者P K Mehta和Pirtz將氧化鎂（MgO）作為膨脹劑摻入大體積混凝土中，研究了MgO的膨脹性能并做了混凝土試驗，指出利用MgO水化產(chǎn)生的膨脹變形可以補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮[1-2]。從20世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)不少學(xué)者對外摻 MgO混凝土的膨脹性能作了大量研究，包括MgO摻量、粉煤灰摻量、骨料級配、水灰比、水泥品種、養(yǎng)護(hù)條件、溫度等對混凝土自生體積變形的影響。方坤河和李承木指出，粉煤灰的摻入降低了外摻MgO混凝土自生體積變形[3-4]。

研究表明[5]，在混凝土工程中外摻MgO的同時也摻入適量的粉煤灰可以達(dá)到更好的工程效果。近年來優(yōu)質(zhì)粉煤灰的產(chǎn)量大幅度提高，包括三峽工程在內(nèi)的國內(nèi)大中型水利水電工程多使用Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰，取得了巨大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益。在混凝土中摻粉煤灰，不僅有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約水泥，降低混凝土的水化熱溫升，簡化混凝土的溫控措施，實現(xiàn)快速施工，而且粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)能改善混凝土性能，提高混凝土的耐久性[6-9]。

但是，粉煤灰對MgO混凝土的長齡期自生體積變形影響如何，至今鮮見報道。為此，本文對比分析了長達(dá)4a齡期的摻與不摻粉煤灰的MgO混凝土的自生體積變形，并從試件中鉆孔取芯進(jìn)行電鏡掃描觀測及能譜分析，以探索粉煤灰對MgO混凝土長齡期自生體積變形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗

1.1 試驗用原材料

（1）水泥。所用水泥為貴州水城生產(chǎn)的拉法基P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。其密度為3.06 g/cm³，比表面積為355 m²/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，安定性合格，水泥的主要化學(xué)成分見表1。

（2）粉煤灰。所用粉煤灰為貴州安順發(fā)電廠的Ⅱ級粉煤灰。其需水量比為94.80%，燒失量為4.12%，細(xì)度（0.045 mm篩的篩余）為15.60%，達(dá)到《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范（DL/T 5050-2007）》和《水工混凝土施工規(guī)范（DL/T 5144-2001）》的要求，其主要化學(xué)成分檢測結(jié)果見表2。

（3）氧化鎂。所用氧化鎂為遼寧省海城市東方滑鎂公司生產(chǎn)。其密度為3.394 g/cm³，活性指數(shù)為219 s，品質(zhì)符合《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求（試行）》。其主要化學(xué)成分見表3。

（4）骨料。所用骨料為貴州某水電站工地的人工砂和碎石。

（5）外加劑。重慶三圣公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑，其品質(zhì)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗配合比

實驗室用于拌制混凝土的配合比見表4。該配合比使用的原材料相同，水灰比為0.55，骨料級配為一級、二級、三級，粉煤灰摻量為0、30%，MgO摻量為0、5%、7%。拌和混凝土?xí)r，通過調(diào)節(jié)外加劑的摻量來控制拌合物達(dá)到相同的坍落度（70～90 mm）。

1.3 試驗方法

（1）試驗按照現(xiàn)行《水工混凝土試驗規(guī)程（SL 352-2006）》[10]進(jìn)行。成型混凝土自生體積變形試件時，在試件密封前，試件桶中心位置垂直埋入用于測讀數(shù)據(jù)的差動式應(yīng)變計。試件密封后，將其放置于恒溫（20±2 ℃）、絕濕的環(huán)境中。

（2）從滿4 a齡期的混凝土代表試件中鉆取芯樣（約10 g），制成直徑10 mm、厚2～3 mm的試樣，用JSM-6490LV掃描電鏡及INCA-350能譜儀對其進(jìn)行微觀檢測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，統(tǒng)計出典型齡期的MgO混凝土自生體積變形值，并繪制出相應(yīng)的自生體積變形過程線，見表5及圖1-圖3。同時，將2 a及4 a齡期的混凝土芯樣（SL3、SL6）的SEM形貌（放大500倍）及能譜結(jié)果匯總于圖4-圖7。

2.2 試驗結(jié)果分析

（1）從表5、圖1-圖3看出，不管混凝土是否摻入粉煤灰，也不管是一級配、二級配還是三級配混凝土，摻MgO混凝土的收縮量總是比不摻MgO混凝土的低。例如，在齡期1 a及4 a，摻MgO的三級配混凝土的自生體積變形為-13.1×10-6和-32.1×10-6，不摻MgO的三級配混凝土自生體積變形為-40.3×10-6和-70.8×10-6，即摻MgO的三級配混凝土的收縮量比不摻MgO三級配混凝土降低了27.2×10-6、38.7×10-6。這說明，本試驗的MgO混凝土的自生體積變形測值雖為負(fù)值，它僅表示本試驗所摻MgO引起的膨脹量沒能抵消未摻MgO混凝土的收縮量，且并未改變MgO混凝土的延遲微膨脹特性[11-13]。

（2）從表5及圖1-圖3可以看出，在28 d齡期，不摻粉煤灰的一級配、二級配及三級配MgO混凝土的自生體積變形為-1.7×10-6、8.0×10-6、-2.6×10-6，摻入30%粉煤灰后變形增至-0.5×10-6、12.0×10-6、-2.4×10-6，這與文獻(xiàn)[14]中粉煤灰使MgO混凝土的早期自生體積變形增大的結(jié)論一致。但是，隨著齡期的延長，MgO混凝土的自生體積變形發(fā)生了轉(zhuǎn)變。例如，在1 a齡期，一級配、二級配及三級配MgO混凝土的自生體積變形由不摻粉煤灰時的-6.0×10-6、9.5×10-6、-13.1×10-6分別降至摻30%粉煤灰時的-33.9×10-6、-16.1×10-6、-36.4×10-6；在4 a齡期，由不摻粉煤灰時的-20.2×10-6、9.3×10-6、-32.1×10-6分別降至摻30%粉煤灰時的-54.8×10-6、-12.0×10-6、-49.8×10-6。這說明，粉煤灰對MgO混凝土自生體積變形的影響由早期的促進(jìn)作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘囊种谱饔?，且隨齡期的延長，抑制作用增強(qiáng)。

隨著齡期的延長，粉煤灰的火山灰效應(yīng)得以充分發(fā)揮，混凝土的后期強(qiáng)度和抗壓彈性模量增大[15]，在相同MgO膨脹能作用下所表現(xiàn)的混凝土自生體積膨脹變形降低。也有學(xué)者認(rèn)為，粉煤灰改變了水泥漿體的堿度，進(jìn)而影響MgO水化產(chǎn)物Mg（OH）2晶體的大小及所處位置，使得MgO膨脹能受到約束[16]；陳胡星等通過實驗研究指出，粉煤灰的玻璃微珠形態(tài)有利于吸收MgO的膨脹能，從而使有效膨脹應(yīng)力減小[17]。

（3）從圖1-圖3還可看出，粉煤灰對一、二級配MgO混凝土的長齡期自生體積膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于三級配MgO混凝土。如在1 500 d時，摻30%粉煤灰的一級配、二級配及三級配MgO混凝土的自生體積變形測值分別比不摻粉煤灰時減少34.6×10-6、21.3×10-6、17.7×10-6。這是因為混凝土的粗骨料顆粒越少，混凝土的振實性越好，粉煤灰的火山灰效應(yīng)又進(jìn)一步提高了混凝土的密實性，導(dǎo)致粉煤灰對少粗顆粒MgO混凝土膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于多粗顆粒MgO混凝土。

（4）從MgO混凝土2 a及4 a齡期的SEM形貌（放大500倍）及能譜圖（圖4-圖7）看出，不管是一級配還是二級配混凝土，當(dāng)摻入30%的粉煤灰后，隨著齡期的延長，MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與界面過渡區(qū)的厚度密切相關(guān)[18-20]。本文可能是因為粉煤灰在達(dá)到4年的長齡期時沒有全部水化完，則未水化的部分粉煤灰和早期已經(jīng)水化的水化產(chǎn)物形成網(wǎng)絡(luò)狀整體，增加了界面過渡區(qū)的厚度，在一定程度上改善界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的密實度。隨著齡期的延長，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2 發(fā)生二次水化反應(yīng)時，降低了混凝土內(nèi)部的不利Ca（OH）2 晶體。文獻(xiàn)[21]、[22]也指出，對摻粉煤灰的水泥基材料而言，粉煤灰中鋁硅玻璃體（主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3）在堿性條件下解體，即消耗了Ca（OH）2，導(dǎo)致水化產(chǎn)物Ca（OH）2含量降低。另一方面，隨著齡期的延長，粉煤灰的火山灰反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，混凝土內(nèi)部生成更多的水化膠凝產(chǎn)物并填充到混凝土的孔隙中，最終導(dǎo)致MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

3 結(jié)語

（1）MgO混凝土的延遲微膨脹特性是客觀存在的，不因摻與不摻粉煤灰，或者隨齡期的延長而改變。

（2）隨著齡期的延長，粉煤灰對MgO混凝土自生體積變形的影響由早期的促進(jìn)作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘囊种谱饔谩?/p>

（3）粉煤灰對不同級配MgO混凝土的長齡期自生體積變形的抑制作用不同，表現(xiàn)為對一、二級配MgO混凝土的抑制作用強(qiáng)于三級配MgO混凝土。

（4）隨著齡期的延長，摻入適量粉煤灰后的MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

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