管廊混凝土中鎂質(zhì)膨脹劑的水化與膨脹特性研究

郭成成,彭海龍

(1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司,山西 太原 030000;2.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司),山西 太原 030032)

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展,地下管廊建設(shè)規(guī)模舉世矚目[1]。鋼筋混凝土是建設(shè)地下管廊的主要材料,地下混凝土管廊結(jié)構(gòu)安全和服役壽命也逐漸引起國內(nèi)外專家關(guān)注[2,3]。我國地下混凝土管廊施工方法主要為現(xiàn)澆法,易出現(xiàn)收縮變形開裂和滲漏等病害,影響管廊結(jié)構(gòu)安全和使用壽命等指標,管廊變形主要有化學收縮、干縮和溫降收縮變形等[4]。管廊屬于地下工程,其防水等級為二級,不允許出現(xiàn)開裂和漏水等病害。滲漏水會引起鋼筋銹蝕,影響管廊的安全運營,甚至造成坍塌事故。導致管廊混凝土結(jié)構(gòu)物收縮開裂的因素較多,主要包括設(shè)計、組成材料、外加劑、施工及養(yǎng)護等[5,6]。

選擇和摻加適宜鎂質(zhì)膨脹劑可有效控制和減少管廊混凝土收縮開裂[1,7],這是因為鎂質(zhì)膨脹劑能有效抑制和補償管廊混凝土的收縮,也是解決管廊收縮開裂行之有效的方法,鎂質(zhì)膨脹劑是特別適合地下工程應(yīng)用的新型膨脹劑,其膨脹源主要是MgO和CaO。

新型鎂質(zhì)膨脹劑在一定條件下發(fā)生水化反應(yīng),產(chǎn)生氫氧化鎂膨脹來消除和補償管廊混凝土的收縮變形[7-9],氧化鎂與水發(fā)生化學反應(yīng)生成氫氧化鎂過程中,體積增大212.6%[10]。氫氧化鎂受到周圍環(huán)境的影響,可脫水,進而導致混凝土收縮,且在不同環(huán)境下,氫氧化鎂的形狀也會出現(xiàn)一定變化,可能引起混凝土結(jié)構(gòu)物的宏觀變形;在低堿環(huán)境中,氧化鎂發(fā)生水化反應(yīng)有極大可能生成0.3～0.4 μm針狀氫氧化鎂的晶體,這些晶體會向周圍水泥漿體的孔洞中擴展、生長,所產(chǎn)生的膨脹量不大;在高堿環(huán)境中,氫氧化鎂晶體呈現(xiàn)六方板狀,晶體尺寸約為0.1～0.2 μm,會聚集在水泥漿體內(nèi)某邊緣處,占據(jù)原先鎂質(zhì)膨脹劑在混凝土中所處位置,聚集在氧化鎂顆粒周圍,產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力,引起混凝土局部膨脹開裂[11,12]。為了防止膨脹開裂,國內(nèi)對膨脹劑摻量也有嚴格限制,要求不得超過12%。氫氧化鎂通常情況下結(jié)構(gòu)屬于六方板狀晶體,顆粒粒徑尺寸為1.5～3 μm;鎂質(zhì)膨脹劑在70 ℃養(yǎng)護條件下水化所形成的氫氧化鎂顆粒粒徑尺寸約為1.5 μm,屬于片狀結(jié)構(gòu)晶體,水化產(chǎn)物的形貌特征和粒徑大小受制備過程中煅燒方式、養(yǎng)護溫度等環(huán)境條件影響[13-15]。由煅燒菱鎂石制備的鎂質(zhì)膨脹劑水化生成的氫氧化鎂主要是易聚集的片狀晶體,是目前研究的難點和熱點[16,17]。

裂縫控制是解決管廊混凝土變形問題的關(guān)鍵所在,也是防止管廊滲漏、提升結(jié)構(gòu)安全和使用壽命最有效的方法之一,目前國內(nèi)外采用鎂質(zhì)膨脹劑控制混凝土管廊開裂的研究報道不多[13]。本文通過對鎂質(zhì)膨脹劑水化程度、不同溫度下氫氧化鎂的形貌特征、X射線衍射圖譜分析,探討鎂質(zhì)膨脹劑對管廊混凝土收縮變形補償,為今后地下管廊裂縫控制與防水以及安全運營提供科學依據(jù)。

1 試驗原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

本研究所用的鎂質(zhì)膨脹劑是用菱鎂石經(jīng)破碎、粉磨、1 200 ℃煅燒、急冷、粉磨和篩分等一系列加工處理后制備成細度為0.050～0.063 mm的粉體;試驗所用水泥為52.5中熱硅酸鹽水泥;I級粉煤灰,來自南京某公司,性能指標均符合GB/T1596-2005中I級粉煤灰技術(shù)要求;砂采用天然河砂,細度模數(shù)為2.5;石子采用兩級配玄武巖碎石,粒徑在5～16 mm,其中5～10 mm和10～16 mm比為4∶6;聚羧酸減水劑來自江蘇某公司,為PCA型高效能減水劑,減水率約30%～40%。試驗所用的主要原材料化學成分見表1。

表1 原材料的化學成分 %

1.2 試驗方法

(1)鎂質(zhì)膨脹劑在水中水化試驗樣品的制備。取制備好的鎂質(zhì)膨脹劑樣品各20 g,按水:膨脹劑樣品為10∶1的比例,徐徐倒進盛有20 ℃和50 ℃水的燒杯中水化;另外取一部分膨脹劑摻到水泥中制成水泥凈漿,養(yǎng)護28 d后在高溫(216 ℃)以及高壓(2 MPa)條件下進行水化,用于分析膨脹劑水化產(chǎn)物和水化程度。

(2)鎂質(zhì)膨脹劑在水泥中水化試驗樣品的制備。在水泥中加10%和90%制備好的鎂質(zhì)膨脹劑,采用0.30的水膠比成型,養(yǎng)護溫度為20 ℃,兩天后拆模,然后將試件分別放50 ℃水浴中養(yǎng)護到不同試驗齡期。達到試驗時間,取出少量不同的水化試樣,放入容器中,并加入無水乙醇中止樣品水化,測試分析前將經(jīng)無水乙醇浸泡過的水化試樣在105 ℃的烘箱中烘干,再進行熱重(TG-DSC)、X-射線衍射和掃描電鏡(SEM)分析。

(3)地下管廊混凝土變形試驗。地下管廊混凝土變形測試方法參照《SL352-2006水工混凝土試驗規(guī)程》進行,試件尺寸為55 mm×55 mm×280 mm,模具兩端裝有銅質(zhì)測頭,試件有效長度275 mm,記為L。混凝土試件成型后,在標準養(yǎng)護溫度和濕度環(huán)境養(yǎng)護1 d后脫模,測試混凝土試件初始長度,記為Lc,然后將試件放在溫度為20℃和95%相對濕度的條件下養(yǎng)護到不同齡期,測試試件長度,記為Ln,混凝土試件膨脹率(LZ)為

(1)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鎂質(zhì)膨脹劑水化程度分析

鎂質(zhì)膨脹劑水化程度分析采用Netzsch公司生產(chǎn)的差熱/熱重分析儀進行,根據(jù)膨脹劑在水中的水化樣的TG-DSC曲線,由氫氧化鎂的失水重量和式(1)可計算出膨脹劑在不同養(yǎng)護溫度條件下水化程度,圖1為膨脹劑在20 ℃和50 ℃水中的水化程度曲線。

圖1 膨脹劑在20 ℃和50 ℃水中水化

從圖1中可見,養(yǎng)護溫度升高,鎂質(zhì)膨脹劑的水化反應(yīng)加快。如在20 ℃養(yǎng)護3 d時,鎂質(zhì)膨脹劑水化程度約為15%,養(yǎng)護28 d時水化程度達34%;在50 ℃養(yǎng)護3 d時,鎂質(zhì)膨脹劑水化程度達到30%,養(yǎng)護28 d達到71%;養(yǎng)護到180 d,鎂質(zhì)膨脹劑在20 ℃和50 ℃養(yǎng)護條件下水化程度分別為57%和94%。

2.2 鎂質(zhì)膨脹劑水化X-射線衍射分析

圖2為經(jīng)1 100 ℃煅燒的鎂質(zhì)膨脹劑(0.050～0.063 mm)在不同水化齡期的XRD圖譜。

圖2 不同齡期MgO水化樣品XRD圖譜

從圖2可見,隨養(yǎng)護齡期增加,鎂質(zhì)膨脹劑中MgO衍射峰逐漸減弱,Mg(OH)2衍射峰逐漸增強,說明隨養(yǎng)護齡期增加,反應(yīng)生成氫氧化鎂越來越多,鎂質(zhì)膨脹劑水化程度逐漸增加;養(yǎng)護到90 d,鎂質(zhì)膨脹劑中MgO衍射峰很弱,說明水化程度較高;即使水化到180 d,從衍射圖上可看到仍有少量MgO沒有水化,說明經(jīng)過高溫煅燒后的鎂質(zhì)膨脹劑水化持續(xù)時間比較長[17]。

從圖3可見,為了減少人們對摻鎂質(zhì)膨脹劑混凝土膨脹開裂的擔心,參考國家標準對水泥安定性試驗方法,在高溫(216 ℃)和高壓(2 MPa)下對摻4%鎂質(zhì)膨脹劑水泥凈漿試樣壓蒸2 h,發(fā)現(xiàn)鎂質(zhì)膨脹劑中MgO衍射峰消失,說明鎂質(zhì)膨脹劑中氧化鎂可完全水化成氫氧化鎂。

圖3 不同溫壓MgO水化樣品XRD圖譜

2.3 鎂質(zhì)膨脹劑水化形貌分析

圖4是鎂質(zhì)膨脹劑在20 ℃水中水化3 d和180 d的掃描電鏡形貌。

圖4 膨脹劑在不同齡期下的水化形貌

由圖4(a)可見,在水化早期,鎂質(zhì)膨脹劑的表面逐漸形成毛邊,說明Mg(OH)2逐漸開始水化,水化產(chǎn)物呈短片狀;如圖4(b)可見,隨養(yǎng)護齡期增加,鎂質(zhì)膨脹劑的水化程度不斷加大,在膨脹劑的表面形成了越來越多的氫氧化鎂,將鎂質(zhì)膨脹劑顆粒的表面團團圍住,氫氧化鎂的尺寸也逐步增大,養(yǎng)護到180 d后,在圖中可見未水化的膨脹劑已經(jīng)很少了,生成了纖維狀的氫氧化鎂相互交錯搭接在一起,鎂質(zhì)膨脹劑水化產(chǎn)物的尺寸明顯增大,寬度約在0.2～1.0 μm,長度達3～5 μm。

由圖5(a)可見,在鎂質(zhì)膨脹劑樣品中摻加少量的水泥,在50 ℃養(yǎng)護條件下水化180 d生成針狀Mg(OH)2晶體,晶體尺寸為0.5～1 μm,呈分散狀態(tài)并向周圍擴散、生長,晶體產(chǎn)生的膨脹量較小。如圖5(b)可見,在鎂質(zhì)膨脹劑中摻加大量水泥,在50 ℃養(yǎng)護條件下水化180 d,水化產(chǎn)物呈六方板狀,晶體尺寸基本上少于0.1 μm,且聚集在水泥水化產(chǎn)物周圍,易造成混凝土局部膨脹開裂。這可能是由于水泥摻量不同,引起水泥漿體中堿度值不同,從而導致鎂質(zhì)膨脹劑水化速率、形狀、大小以及聚集狀態(tài)的不同,也使其膨脹量大小、程度、時間等出現(xiàn)差異,對混凝土的收縮補償效果不同。

圖5 水泥摻量對膨脹劑180 d水化形貌影響

2.4 鎂質(zhì)膨脹劑對管廊混凝土變形性能的影響

根據(jù)課題組前期研究工作,管廊混凝土的單方用量分別為:水泥、粉煤灰、水、聚羧酸減水劑、河砂和石子330 kg、70 kg、150 kg、4 kg、730 kg和1 120 kg,其中水膠比和減水劑用量固定,鎂質(zhì)膨脹劑和聚羧酸減水劑按膠凝材料量計,膨脹劑以外摻形式加入,在計算用水量和減水劑用量時,按膠凝材料計算。圖6為在標準養(yǎng)護溫度下?lián)?、6%、8%和10%鎂質(zhì)膨脹劑的管廊混凝土模擬試件隨養(yǎng)護齡期增加的膨脹曲線示意圖。

圖6 膨脹劑摻量對管廊混凝土膨脹率的影響

圖6可知,未摻膨脹劑時混凝土試件產(chǎn)生體積收縮,隨鎂質(zhì)膨脹劑摻量和養(yǎng)護齡期的增加,混凝土試件膨脹率會逐漸增加,摻10%鎂質(zhì)膨脹劑混凝土試件養(yǎng)護28 d膨脹率約為34.3×10-6,90 d的膨脹率為60.2×10-6,膨脹率增大了75.5%,養(yǎng)護90 d后,不同摻量的混凝土試件膨脹速率增加幅度不大,膨脹劑摻量為10%的混凝土試件在標準溫度下養(yǎng)護120 d膨脹率為64.1×10-6,180 d的膨脹率為68.3×10-6,僅增大6.5%,隨齡期的延長,膨脹速率會變得緩慢,可避免膨脹劑無限膨脹,降低管廊混凝土膨脹開裂的風險。

鎂質(zhì)膨脹劑的水化產(chǎn)物氫氧化鎂可填充到管廊混凝土孔隙中,改善了管廊混凝土的密實度,同時由于氫氧化鎂不溶于水,不會受地下水溶蝕影響,可提高管廊混凝土的抗?jié)B性;由于鎂質(zhì)膨脹劑具有水化速率緩慢的特性,在地下潮濕環(huán)境中,吸取地下水不斷水化,具有膨脹速率緩慢可控、且膨脹過程持續(xù)時間長的特征,在整個水化過程中產(chǎn)生的有效膨脹在一定時間基本不再變化,還可以通過改變膨脹劑摻量控制適宜的膨脹量,有效地補償和消除管廊混凝土隨混凝土養(yǎng)護齡期不斷增加而產(chǎn)生的收縮開裂。

3 結(jié)束語

鎂質(zhì)膨脹劑的水化產(chǎn)物不溶于水且特性不受養(yǎng)護溫度的影響,水化速率隨著養(yǎng)護溫度的升高而加快,通過X-射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護齡期越長時,水化越充分,且鎂質(zhì)膨脹劑中氧化鎂可完全水化成氫氧化鎂。使用掃描電鏡觀察水化產(chǎn)物形貌,發(fā)現(xiàn)水化產(chǎn)物隨著養(yǎng)護齡期的增長由短片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀。鎂質(zhì)膨脹劑在摻大量水泥中水化產(chǎn)物呈六方板狀,易聚集,進而導致局部膨脹開裂,而在少量水泥中水化為針狀晶體,呈分散狀態(tài)向周圍擴散,故使用時需要均勻摻加并進行攪拌。在混凝土中摻鎂質(zhì)膨脹劑,混凝土由收縮轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑴蛎?可控制和降低地下管廊混凝土收縮變形,且膨脹率隨著摻量和養(yǎng)護齡期的增加逐漸增加,同時速率逐漸變平緩,可有效地減少管廊混凝土膨脹開裂,避免地下管廊脹裂現(xiàn)象出現(xiàn),有效抑制和消除地下管廊開裂問題,提升地下管廊結(jié)構(gòu)的安全和服役壽命。