關于碾壓混凝土中氧化鎂均勻性試驗方法的商榷

蔡杰龍，張君祿，蔡燦旭，王梓鑫，王立華

(1.廣東省水利水電科學研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣東 廣州 510635；3.廣東省水利重點科研基地，廣東 廣州 510635)

1 概述

水工混凝土壩具有建設周期長、投資大和溫控措施復雜等特點，其壩體開裂問題成為水利工程長期關注與研究的焦點。采用外摻氧化鎂(MgO)快速筑壩技術，是解決該難題行之有效的手段。近些年，國內(nèi)已有40多個水利工程采用外摻輕燒MgO混凝土，如浙江石塘，四川銅街子，福建水口，貴州東風，索風營、沙老河，廣東清溪和壩美等工程，其中有11座水利工程的大壩全壩段使用外摻MgO混凝土[1]，其在簡化施工工藝、加快建設速度和控制壩體開裂等方面發(fā)揮著極其重要的作用，提高了社會與經(jīng)濟效益。

氧化鎂膨脹劑具有延遲微膨脹的特性，其在水利工程碾壓混凝土筑壩中發(fā)揮著不可替代的關鍵作用[2-3]。外摻氧化鎂在碾壓混凝土中的補償收縮效果，除了與原材料基本性質(zhì)(MgO有效含量、細度和活性反應時間等)有關外，主要與氧化鎂膨脹劑摻量及其在碾壓混凝土中的分布均勻性有關。適當?shù)膿搅考胺植季鶆蛐?，可使碾壓混凝土的自生體積變形更接近理想的延遲微膨脹曲線，從而達到良好的應力補償效果[4]。目前，氧化鎂膨脹劑(MgO有效含量按90%計)在碾壓混凝土中的摻量范圍普遍為2%～8%。在原材料性質(zhì)穩(wěn)定和摻量固定基礎上，MgO在碾壓混凝土中的分布均勻性成為決定其微膨脹補償收縮效果的關鍵因素。因此，碾壓混凝土中的均勻性評價方法在水工碾壓混凝土筑壩技術中顯得極為重要。然而，現(xiàn)行規(guī)范《水工混凝土摻用氧化鎂技術規(guī)范》DL/T 5296—2013(簡稱“技術規(guī)范”，下同)和《外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術導則》DB44/T 703—2010(簡稱“技術導則”，下同)等對于碾壓混凝土中氧化鎂均勻性試驗的規(guī)定不夠完善，包括試驗步驟、結果計算和評價標準等，導致其在工程應用中存在諸多問題，這對于科學客觀評價碾壓混凝土中氧化鎂膨脹劑是否均勻及碾壓混凝土施工效果更是無從說起。鑒于此，本文主要提出一些現(xiàn)行規(guī)范中關于碾壓混凝土中氧化鎂均勻性的評價方法及其存在問題的思考，為外摻氧化鎂快速筑壩技術提供重要的借鑒與參考。

2 問題的引出和闡述

2.1 外摻氧化鎂摻量的定義

根據(jù)“技術規(guī)范”中2.0.2的規(guī)定，氧化鎂摻量的定義為“摻入的氧化鎂質(zhì)量占膠凝材料質(zhì)量的百分比”。即外摻時摻量按式(1)確定：

(1)

其中 MgO質(zhì)量為摻入混凝土中的氧化鎂膨脹劑(粉體)質(zhì)量，總膠凝材料質(zhì)量為碾壓混凝土中水泥、粉煤灰等膠凝材料的總質(zhì)量。

2.2 技術要求

根據(jù)“技術規(guī)范”中4.0.7的規(guī)定，摻氧化鎂混凝土的均勻性應嚴格控制，試驗方法見附錄C；樣品中的氧化鎂含量檢測參照GB/T 176進行。其中，氧化鎂均勻性結果評定為“抽取測點不少于10個，氧化鎂含量測值的離差系數(shù)應不大于0.10%，表示氧化鎂在混凝土中的均勻性好”。

根據(jù)“技術導則”中7.3的規(guī)定，應對拌和系統(tǒng)、拌和工藝和連續(xù)施工過程制定有針對性的質(zhì)量保證措施，確保MgO混凝土的均勻密實。其中，“7.3.4施工過程控制”規(guī)定，施工過程應加強對MgO的均勻性檢測，包括機口檢測和倉面檢測；MgO混凝土均勻性檢測宜采用小樣品化學法進行。

根據(jù)《氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術暫行規(guī)定》中第6節(jié)的規(guī)定，外摻MgO混凝土施工，必須嚴格控制其安定性和均勻性；混凝土中MgO含量宜采用化學法檢驗；評定施工中MgO含量均勻性，應以拌合機口隨機檢驗為準。另外，本規(guī)定中還提出了MgO含量施工均勻性的評價指標，根據(jù)混凝土標號不同，分為“優(yōu)秀、良好、一般和較差”4個等級。

2.3 試驗方法執(zhí)行標準

根據(jù)“技術規(guī)范”附錄C的規(guī)定，混凝土中氧化鎂的均勻性試驗方法包括流態(tài)法和固態(tài)法兩種，其中流態(tài)法試樣為濕篩水泥砂漿樣品；固態(tài)法為已終凝干硬的水泥砂漿樣品。兩種方法中的氧化鎂含量測定均根據(jù)GB/T 176中氧化鎂快速測定方法進行測定。

根據(jù)“技術導則”中條文說明7.3.4的規(guī)定，MgO含量采用濕篩小樣品化學法測定，試驗步驟與“技術規(guī)范”的基本一致。

2.4 試驗內(nèi)容探析

本文利用當前國內(nèi)某在建水利工程中碾壓混凝土中氧化鎂均勻性試驗的數(shù)據(jù)對其存在的問題進行簡要探討。

1) 碾壓混凝土配合比

本工程中外摻氧化鎂設計摻量為6.5%，采用的碾壓混凝土配合比如表1所示，其中河砂為天然河砂，粉煤灰一部分做摻合料使用，一部分代替人工砂中的細粉部分。

表1 碾壓混凝土配合比

2) 試驗結果

本次根據(jù)“技術規(guī)范”附錄C中固態(tài)法分批多次進行試驗，試驗結果如表2所示。

表2 碾壓混凝土中氧化鎂的均勻性試驗結果統(tǒng)計

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)(8批次共556個樣品)可知，固態(tài)法測得的氧化鎂含量范圍為2.41%～4.10%，平均值范圍為3.07%～3.31%，離差系數(shù)范圍為0.10～0.14。其中，氧化鎂含量與原設計摻量(6.5%)對比相差較大。

2.5 問題的闡述與思考

根據(jù)以上試驗結果，結合目前規(guī)范中關于MgO摻量、相關技術要求和試驗方法的規(guī)定，本文特提出如下問題以供商榷。

1) 本次試驗參照“技術規(guī)范”中的固態(tài)法進行。根據(jù)規(guī)范中規(guī)定，試驗直接將終凝的干硬的水泥砂漿試樣進行研磨至全部通過孔徑為0.08 mm的篩，并經(jīng)過一系列溶解步驟處理后進行滴定。在試驗過程中，規(guī)范中并未規(guī)定如何扣除砂的部分，導致試驗中用于滴定的試樣包括砂漿中的砂，因此，氧化鎂含量測定結果偏小，且與原設計摻量相差較大。

2) 氧化鎂設計摻量按公式(1)進行計算，其中氧化鎂質(zhì)量為摻入混凝土中的氧化鎂膨脹劑(粉體)的質(zhì)量，而根據(jù)試驗滴定過程可知，經(jīng)化學分析滴定的氧化鎂含量實則為氧化鎂的有效含量，且不僅包括氧化鎂膨脹劑中的MgO有效含量，還包括其它粉體材料中含有的MgO有效含量。本試驗方法中，用于滴定的試驗質(zhì)量為碾壓混凝土中所有能通過0.08 mm篩的粉體質(zhì)量，包括膠凝材料(水泥和粉煤灰等)、水泥砂漿中被磨細的河砂、河砂與碎石中的含泥部分、粉煤灰代砂部分和氧化鎂粉體等，這與設計摻量中的“分母”總膠凝材料質(zhì)量不相一致。因此，試驗結果與設計摻量相差較大。

3) 本次氧化鎂含量實測離差系數(shù)范圍為0.10～0.14，根據(jù)《氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術暫行規(guī)定》中表6-1關于均勻性指標的規(guī)定，試驗結果可評為優(yōu)秀。而根據(jù)“技術規(guī)范”中氧化鎂均勻性試驗結果評定標準“離差系數(shù)不大于0.10%，表示均勻性良好”的規(guī)定，本文試驗結果存在兩個數(shù)量級的差異，實際上該評定標準在施工質(zhì)量過程控制中幾乎無法實現(xiàn)。

4) “技術規(guī)范”中的流態(tài)法規(guī)定，利用蒸餾水沖洗使現(xiàn)場取回的潮濕狀態(tài)下的水泥砂漿完全通過0.08 mm的濕篩，其中沖洗水的加入使水泥砂漿中的膠凝材料和砂漿成分質(zhì)量均發(fā)生了變化，導致無法準確計算水泥砂漿中膠凝材料部分的質(zhì)量，而規(guī)范中未說明如何處理并計算“分母值”總膠凝材料的質(zhì)量，試驗完成氧化鎂含量只能以水泥砂漿的質(zhì)量作為分母值進行計算，試驗結果必然偏小，且無法與原設計摻量進行對比。

3 問題解決思路與方案

針對現(xiàn)行規(guī)范中存在的問題，本文特提出兩種解決思路，具體實驗方案如下。

3.1 標準曲線法

本試驗方法步驟分為兩步：① 根據(jù)現(xiàn)場碾壓混凝土配合比選取工程所用原材料并充分拌和，通過室內(nèi)試驗制定不同氧化鎂摻量下(氧化鎂摻量為設置為0%、2%、4%、6%、8%和10%)EDTA標準溶液消耗量的標準曲線，其中試驗樣品需經(jīng)過蒸餾水稀釋、鹽酸分解、氨水分離和靜置沉淀等試驗步驟處理，然后測定樣品中氧化鎂的含量；② 于機口或倉面取回碾壓混凝土樣品，樣品的試驗處理與滴定過程同①，最終利用實際測值與標準曲線計算現(xiàn)場碾壓混凝土實際氧化鎂的摻量和均勻性。

3.2 流態(tài)烘干法

在機口或倉面取回碾壓混凝土樣品，抽取水泥砂漿，水洗、過篩(0.08 mm)，用加熱電爐煮沸并燒至粉體狀態(tài)，并在100±5℃的烘箱中烘干，烘干后在瑪瑙研缽中適當研磨成粉末，并稱取一定數(shù)量的粉末樣品進行試驗，試驗樣品需經(jīng)過蒸餾水稀釋、鹽酸與硝酸分解和靜置沉淀等試驗步驟處理，然后測定樣品中氧化鎂的含量。其中樣品的烘干處理，可避免水沖洗對水泥砂漿樣品濃度的稀釋和成分質(zhì)量的干擾，便于后期氧化鎂摻量的計算。

4 新方法效果的驗證

4.1 標準曲線法

參照3.1節(jié)中第①點所述步驟制定的標準曲線如圖1所示。

圖1 不同氧化鎂設計摻量下EDTA二鈉消耗量標準曲線示意

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算，不同氧化鎂設計摻量與EDTA二鈉標準溶液消耗量關系式為：

y=1.17x+2.29

(2)

其中x為設計摻量，y為EDTA二鈉標準溶液消耗量。

本次按照“均勻布置、多點取樣”原則于工程現(xiàn)場倉面上抽取20個碾壓混凝土代表性樣品進行試驗，氧化鎂設計摻量為6.5%，具體試驗結果如表3所示。

表3 標準曲線法氧化鎂摻量實驗結果

根據(jù)實驗結果可知，氧化鎂實測摻量范圍為5.82%～7.27%，與設計摻量較為一致。同時，實驗數(shù)據(jù)的計算過程可大大簡化，相比較于原“技術規(guī)范”中步驟更為簡便快捷，也便于統(tǒng)計分析氧化鎂的均勻性。

4.2 流態(tài)烘干法

參照3.1節(jié)中第②點所述步驟，按照“均勻布置、多點取樣”原則于工程現(xiàn)場倉面上抽取20個碾壓混凝土代表性樣品進行試驗，氧化鎂設計摻量為6.5%，具體試驗結果如表4所示。

表4 流態(tài)烘干法氧化鎂摻量實驗結果

根據(jù)實驗結果可知，氧化鎂實測摻量范圍為5.56%～7.15%，與設計摻量較為一致。同時，實驗結果計算中的分母值為通過0.08 mm篩中的粉體質(zhì)量，便于氧化鎂摻量結果的計算，也便于統(tǒng)計分析氧化鎂的均勻性。

4.3 新方法總結

經(jīng)以上試驗結果計算可知，標準曲線法和流態(tài)烘干法均能科學、合理、準確測得氧化鎂的摻量，與原氧化鎂設計摻量保持一致。同時，試驗步驟清楚明確，試驗結果計算大大簡化，能夠客觀地評價碾壓混凝土氧化鎂的均勻性，可為完善現(xiàn)行規(guī)范與工程施工質(zhì)量評價提供重要參考依據(jù)。

另外，“技術規(guī)范”中的固態(tài)法雖可客觀反映氧化鎂的均勻性，但因研磨時引入砂導致氧化鎂實測摻量與設計摻量相差較大。鑒于此，本文建議引入修正系數(shù)，該修正系數(shù)由砂漿中的膠凝材料用量、砂用量和膠砂比決定，系數(shù)需通過設計不同碾壓混凝土配合比試驗確定，從而使實測結果與原設計摻量保持一致。

5 結語

水工碾壓混凝土中外摻氧化鎂的均勻性評價，對碾壓混凝土筑壩技術的應用極為重要。本文通過某工程實際試驗數(shù)據(jù)，提出現(xiàn)行規(guī)范中試驗方法存在的一些問題，包括試驗步驟、結果計算和結果評價等，并針對性提出了兩種解決方法，包括標準曲線法和流態(tài)烘干法，并通過實驗結果驗證了兩種新方法的可行性，可為完善現(xiàn)行規(guī)范與工程施工質(zhì)量評價提供重要參考依據(jù)。