雙膨脹水泥混凝土的膨脹性能

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雙膨脹水泥，包括雙膨脹中熱硅酸鹽水泥與雙膨脹低熱礦渣硅酸鹽水泥，其主要特點是，在中熱或低熱礦渣硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，同時利用了水泥中鈣礬石與水鎂石兩者膨脹，鈣礬石膨脹主要發(fā)生在早期，水鎂石膨脹主要發(fā)生在后期，兩者取長補短，以獲得適宜的膨脹量與膨脹分布^[1]。因此，雙膨脹水泥不僅保留了中熱或低熱礦渣硅酸鹽水泥低水化熱等的全部優(yōu)點，同時又具備較好的微膨脹性能，適合于在水利水電工程中基礎(chǔ)約束區(qū)、導(dǎo)流洞及導(dǎo)流底孔回填等具有一定約束條件的部位中應(yīng)用。

    在浙江大學(xué)實驗室研究的基礎(chǔ)上，湖南特種水泥廠生產(chǎn)了一批雙膨脹水泥，并由長江科學(xué)院進行全面的混凝土性能方面的試驗，本文主要介紹雙膨脹水泥混凝土的自生體積變形、約束條件下的膨脹應(yīng)力及其強度的試驗情況。     1、試驗過程     1.1 配制混凝土的原材料     (1)525^＃雙膨脹中熱水泥和425^＃雙膨脹低熱礦渣水泥，由湖南特種水泥廠1997年4月生產(chǎn)，這兩種水泥都符合中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥的國家標(biāo)準(zhǔn)GB200-1989，同時熟料中的MgO含量和水泥中石膏(SO₃)摻量較高，其中熟料中的MgO接近5.0%，水泥中石膏(SO₃)的摻量接近3.5%.該水泥強度、水化熱與凈漿自由膨脹率見表1.(2)粗骨料采用三峽工程使用的花崗巖人工骨料，密度為2.72g/cm³，骨料級配為三級配，大∶中∶?。?0∶20∶30.(3)細(xì)骨料以砂為主，再摻11%的石粉，密度為2.63g/cm³，細(xì)度模數(shù)為2.71.(4)外加劑，采用三峽工程使用的減水劑ZB-1和引氣劑DH₉S.     1.2 混凝土配合比     分別用雙膨脹中熱水泥和雙膨脹低熱礦渣水泥配制90d齡期標(biāo)號為250^＃和200^＃的混凝土，配合比見表2，減水劑摻量為0.7%，引氣劑摻量為0.5/萬。     1.3 試驗方法     自生體積變形試驗按《水工混凝土試驗規(guī)程》SD105-82進行，試件尺寸為?20cm×50cm的圓柱體。常規(guī)測試的養(yǎng)護溫度為20±1℃。另外考慮到氧化鎂水化反應(yīng)與溫度關(guān)系密切，為了了解較高溫度下的膨脹性能，又作了一組前后兩種溫度的養(yǎng)護的試驗，齡期40d前為20±1℃，之后為38±1℃。                                                 表1 雙膨脹水泥強度與膨脹率

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    抗折強度/Mpa 抗壓強度/Mpa 水化熱/(J/g) 凈漿膨脹率/(10^-6m/m) 水泥名稱

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    3d 28d 3d 28d 3d 7d 7d 28d 90d 180d

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  525^＃雙膨脹中熱水泥 6.2 9.2 30.8 58.9 231 265 610 920 1140 1380 425^＃雙膨脹低熱水泥 4.5 8.2 18.9 44.3 181 213 730 880 960 1010

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                                                        表2 雙膨脹混凝土配合比

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            混凝土材料用量/(kg/m³)     代號 設(shè)計標(biāo)號 水泥品種 水灰比 砂率(%)

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  塌落度/cm 含氣量(%)           水泥 水 砂 石    

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  M250 R₉₀=250 525^＃中熱 0.50 31 200 100 648 1494 5 4.0 L200 R₉₀=200 425^＃低熱 0.55 31 178 98 651 1506 5 4.5

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      鋼筋約束膨脹應(yīng)力的試件為Φ15cm×45cm的圓柱體，中部對稱布置兩根鋼筋，鋼筋兩端與限制膨脹的鋼板相連，在兩根鋼筋之間放置一電阻應(yīng)變計。養(yǎng)護溫度為20±1℃。當(dāng)混凝土膨脹時，試件全端面受到兩端壓板的約束，試件中鋼筋、混凝土與應(yīng)變計三者基本一致，這樣應(yīng)變計測得的應(yīng)變可以代表鋼筋的應(yīng)變，由此可推算鋼筋的拉應(yīng)力與混凝土的預(yù)壓應(yīng)力。     所有試件都進行了密封處理，試驗過程中保持絕濕狀態(tài)。所用電阻應(yīng)變計的型號為DI-25，以1d齡期的測試值為基準(zhǔn)值。     對兩種混凝土在約束條件下養(yǎng)護與無約束條件下養(yǎng)護的抗壓和劈拉強度進行對比試驗，養(yǎng)護齡期有28d和90d，試件尺寸為10cm×10cm×10cm立方體，約束方式為特制大鋼度試模，約束試件成型后帶模養(yǎng)護至測試齡期拆模。     2、試驗結(jié)果     2.1 自生體積變形     圖1為M250與L200的自生體積變形隨時間和養(yǎng)護溫度的變化情況。由圖可見，兩者在2d齡期內(nèi)自生體積膨脹率發(fā)展都較快，而后膨脹速率明顯降低，養(yǎng)護溫度提高，膨脹速率都明顯加快。但較早齡期的膨脹，M250比L200要小些，而40d至180d齡期間的膨脹增量，20℃時M250比L200略小，38℃時M250比L200明顯要大。     2.2 鋼筋約束膨脹應(yīng)力     圖2為含筋率在2.0%和2.6%的條件下M250與L200的預(yù)壓應(yīng)力曲線。M250與L200在最初的2d齡期內(nèi)都產(chǎn)生一個相對較大的預(yù)壓應(yīng)力，之后一段時間中預(yù)壓應(yīng)力略有下降，在10～15d左右走入低谷，過后又逐漸回升。但兩者也存在差別，L200形成的低谷比M250深，走出低谷后形成的預(yù)壓應(yīng)力，也比M250明顯要小。以含筋率都為2.6%的情況為例，M250在早期2d齡期產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力為0.089MPa，10d左右預(yù)壓應(yīng)力最低，約為0.082MPa，而后逐漸回升，到28d、90d和180d齡期時，預(yù)壓應(yīng)力分別達到0.100、0.148和0.158MPa；L200在前2d齡期產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力與M250大致相同，15d左右走入低谷，其預(yù)壓應(yīng)力只有0.063MPa，在28d、90d和180d齡期預(yù)壓應(yīng)力分別回升至0.086、0.092和0.096MPa，明顯比M250小。            圖1 雙膨脹混凝土的自生體積變形曲線       圖2 雙膨脹混凝土的預(yù)壓應(yīng)力曲線       2.3 約束試件的強度     表3為M250與L200，在28d和90d兩個齡期時，約束與無約束試件的抗壓與劈拉強度，由表3可見，約束試件強度，比之于非約束試件的強度，均有不同程度的提高，抗壓強度提高約15%，劈拉強度提高約9%.                                         表3 雙膨脹水泥混凝土的強度

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    28d抗壓強度/Mpa 90d抗壓強度/MPa 28d劈拉強度/MPa 90d劈拉強度/MPa 混凝土代號

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    無約束 約束 無約束 約束 無約束 約束 無約束 約束

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  M250 29.0 33.7 37.8 43.1 2.02 2.23 2.77 3.04 DWL200 22.4 28.3 31.5 36.7 1.69 1.84 2.60 2.77

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      3、討論     雙膨脹水泥同時對鈣礬石膨脹與氧化鎂膨脹加以積極利用，早期主要是水泥中石膏與含鋁礦物反應(yīng)形成鈣礬石產(chǎn)生的膨脹，后期主要是熟料中氧化鎂水化形成水鎂石產(chǎn)生的膨脹^[1]。雙膨脹混凝土的自生體積變形的試驗結(jié)果，也反映了早期鈣礬石與后期氧化鎂這二者的膨脹。鈣礬石膨脹發(fā)揮很快，特別是在2d以內(nèi)，2d以后雖然鈣礬石膨脹還繼續(xù)發(fā)揮作用，但從趨勢上看，緩慢的氧化鎂的膨脹實際上已逐漸開始起主導(dǎo)作用。     方鎂石轉(zhuǎn)變?yōu)樗V石的反應(yīng)對溫度十分敏感，養(yǎng)護溫度提高，其反應(yīng)速度明顯加快，由此而產(chǎn)生的膨脹也就明顯加快^[1]。這與雙膨脹混凝土在前后兩種溫度養(yǎng)護的自生體積變形對比試驗結(jié)果是一致的，溫度提高后，雙膨脹混凝土膨脹速率明顯提高。由于M250采用雙膨脹中熱水泥，而且水泥用量也多，因此它的氧化鎂含量比L200高，養(yǎng)護溫度從20℃提高到38℃時，40d至180d齡期間膨脹增量，M250明顯高于L200.混凝土膨脹速率隨著溫度升高而加大的特點，在實際應(yīng)用時應(yīng)加以注意，因為大壩混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場總是不均勻的，尤其是表層混凝土，內(nèi)外溫差一般有十幾度甚至幾十度，用在這種部位，就有可能出現(xiàn)表面膨脹量小、內(nèi)部膨脹量大的不均勻膨脹，從而可能加大表面的拉應(yīng)力。     以混凝土的膨脹變形來補償其收縮變形，當(dāng)兩者同步時，其效果最好。雙膨脹混凝土組合了鈣礬石與水鎂石兩者膨脹，其膨脹變形與大壩等大體積混凝土收縮變形^[2]的匹配上，比只有單一的鈣礬石或氧化鎂膨脹的情況要好。     如果早期膨脹變形來補償后期溫降收縮，只有膨脹變形在約束條件下產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，應(yīng)變部分才能起補償作用。由于自生不均勻降溫產(chǎn)生的收縮應(yīng)力應(yīng)變，均勻膨脹變形對它的補償效果差，甚至有可能加大某些部位的拉應(yīng)力，若在局部區(qū)域增加約束條件，如布置鋼筋對膨脹變形進行約束，使之產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力以防止出現(xiàn)過大的拉應(yīng)力，可起到增強補償效果的作用。     雙膨脹混凝土在鋼筋約束下的膨脹應(yīng)力曲線，與相應(yīng)的自生體積變形曲線是一致的。2d以內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)較大的預(yù)壓應(yīng)力，來自對應(yīng)時段內(nèi)的鈣礬石膨脹，之后膨脹速率減小，預(yù)壓應(yīng)力引起的徐變變形較大，超過膨脹變形而使預(yù)壓應(yīng)力減小。隨后徐變變形減小，而膨脹變形速率相對穩(wěn)定，使預(yù)壓應(yīng)力逐步回升或保持相對穩(wěn)定。M250方鎂石含量較高，強度也高，2d以后形成的預(yù)壓應(yīng)力很明顯，除補償初期預(yù)壓應(yīng)力松馳外，還增加了約40%的預(yù)壓應(yīng)力(見圖2).而L200方鎂石含量較低，強度也較低，在2d以后產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，只能起到補償初期預(yù)壓應(yīng)力因徐變松馳而損失的那部分。     雙膨脹混凝土中膨脹的根源是鈣礬石與水鎂石，這兩者的形成產(chǎn)生的“膨脹能”，可以表現(xiàn)為：(1)補償收縮和產(chǎn)生外體積膨脹；(2)產(chǎn)生預(yù)加壓應(yīng)力；(3)對混凝土內(nèi)部孔隙的壓縮和遷移，使之結(jié)構(gòu)致密化。在不同的水化硬化階段，以及在不同的外部條件，其表現(xiàn)形式可以有很大的差別。雙膨脹混凝土在彈模較高時，外體積膨脹作用就相對較小。而在約束條件下，“膨脹能”就會表現(xiàn)為產(chǎn)生預(yù)壓力應(yīng)力以及對內(nèi)部孔隙變移和致密化時，其強度就當(dāng)有所提高^[3]。雙膨脹混凝土中，利用“膨脹能”的產(chǎn)生預(yù)加壓應(yīng)力以及致密化的作用，對改善其性能來說是十分重要的。     雙膨脹混凝土有初期膨脹，也有后期膨脹，在約束條件下能產(chǎn)生比較穩(wěn)定的預(yù)壓應(yīng)力，能夠比較有效地補償大體積混凝土的收縮。同時，雙膨脹水泥也完全符合中、低熱水泥的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，保留著中、低熱水泥的優(yōu)點，因而可在大壩工程，尤其是基礎(chǔ)約束區(qū)、導(dǎo)流洞及導(dǎo)流底孔回填等具有一定約束條件的部位中應(yīng)用。     另外，從試驗結(jié)果上看，雙膨脹混凝土存在總的膨脹量偏小，以及鈣礬石膨脹發(fā)展過快，而氧化鎂膨脹又顯得過于緩慢的不足之處。雙膨脹混凝土膨脹量偏小，只是體現(xiàn)了微膨脹性，只能部分補償大壩等大體積混凝土的收縮。鈣礬石膨脹過早，由于此時混凝土彈模較低，徐變度過大，膨脹變形產(chǎn)生的補償應(yīng)力相對地較小，而且容易被松馳。而如果氧化鎂膨脹期過長，則補償收縮的作用較小且不易控制。因此，推遲鈣礬石膨脹，加快氧化鎂膨脹，增加總的膨脹量，是雙膨脹水泥以后值得繼續(xù)研究和完善的重要內(nèi)容。     4、結(jié)論     (1)雙膨脹混凝土的自生體積隨齡期的變化均表現(xiàn)為膨脹，具有較快的形成鈣礬石產(chǎn)生的膨脹和緩慢的方鎂石水化產(chǎn)生的膨脹。(2)氧化鎂膨脹對溫度比較敏感，養(yǎng)護溫度提高，膨脹速率明顯增大，在實際應(yīng)用時應(yīng)適當(dāng)注意不均勻溫度場而引起的不均勻膨脹應(yīng)力。(3)雙膨脹混凝土在鋼筋約束條件下，會產(chǎn)生比較穩(wěn)定的預(yù)壓應(yīng)力。(4)雙膨脹混凝土在約束條件下的強度，與無約束條件下的強度相比，有比較明顯的提高。(5)總而言之，雙膨脹混凝土具有較好的的膨脹特性，能夠比較有效地補償大壩等大體積混凝土的收縮，適用于具有一定約束條件的水工混凝土。