三峽臨時船閘大體積補償收縮混凝土的研究

 [摘　要] 　大體積混凝土產生的“冷縮”對最終的體積變化產生重要影響,因此補償收縮措施與普通混凝土不同,利用低熱微膨脹水泥與輕燒氧化鎂的不同膨脹時效,產生雙膨脹效應,通過試驗得到有效補償大體積混凝土收縮的混凝土制備工藝并成功用于實際工程,研究了輕燒氧化鎂與兩種普通膨脹劑對水化熱和體積變化的影響規(guī)律。

[關鍵詞] 　大體積混凝土; 　補償收縮; 　水化熱; 　膨脹劑; 　煅燒

[中圖分類號] 　TU528101 　　[文獻標識碼] 　A 　　　[文章編號] 　1002 - 3550 (2005) 08 - 0020 - 03

0 　前言

　　三峽臨時船閘按照空間位置依次分為1 # 、2 # 和3 # 段,其中1 # 和3 # 段先期澆筑,2 # 段后期澆筑,為簡化甚至取消接縫灌漿,同時保證后澆的2 # 段與1 # 、3 # 段緊密結合,2 # 段擬采用微膨脹混凝土,根據(jù)結構和溫度應力計算的膨脹量需達到150μm～200μm ,90天齡期應達到C20 強度等級, 抗凍標號為快凍法F150 ,抗?jié)B標號W10 ,坍落度3cm～5cm。對于普通混凝土,造成體積變化的影響因素主要是干縮及化學減縮[1 ] ,而對于大壩這種典型的大體積混凝土,由于高水化熱在降溫過程中產生的“冷縮”對最終的體積變化產生重要影響[2 ] ,即體積變化特性與普通混凝土存在明顯差異,因此采取補償收縮的措施不同。在此施工背景下,本研究采用輕燒氧化鎂與低熱微膨脹水泥,通過試驗得到滿足要求的混凝土配合比并成功用于實際工程,并研究了輕燒氧化鎂與兩種普通膨脹劑對水化熱和體積變化影響的規(guī)律。

1 　試驗原材料及試驗方法

1．1 　試驗原材料

　　(1) 水泥: 湖北華新4215 普通水泥( HX4215 P·O) , 4215 低熱微膨脹水泥( HX4215 L ) ; 陜西略陽4215 低熱微膨脹水泥(L Y4215L) ;

　　(2) 粉煤灰:湖北陽邏Ⅰ級灰;

　　(3) 膨脹劑:分別采用江西HEA1 、武漢HEA2 以及遼寧海城輕燒氧化鎂粉。各種原材料的組成及性能指標分別如表1 、2 、3 、4 。

　　表1 中,2 種水泥均滿足GB2938 - 97 關于4215強度等級低熱水泥的指標要求;表2 中,兩種粉煤灰均滿足GB1596 - 91 對Ⅰ級粉煤灰的品質要求;表3中,MgO 滿足《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質技術要求》(試行) ;表4 中,兩種膨脹劑中除武漢產品的凝結時間較短外其他性能相近,并且所有指標均滿足JC476 - 2001《混凝土膨脹劑》的品質要求

1．2 　試驗方法

　　(1) 水化熱試驗參照GB2022 - 80 采用直接法并通過自研的”多通道自動水化熱測定儀”進行,通過數(shù)據(jù)模塊多通道、自動在線檢測和記錄水泥漿體水化放熱溫升變化。

　　(2) 體積脹縮試驗參照JC313 - 82 測試自由膨脹率,試樣分別在水中養(yǎng)護和聯(lián)合養(yǎng)護(在水中養(yǎng)護3

圖1 　FA 摻量對HX - L4215 水泥水化溫升的影響圖2

　　從圖1 看出,隨著FA 摻量的提高,水化溫峰降低、溫峰到達時間推遲,這是由于低活性礦物材料對水泥的稀釋作用而降低了水化程度,減少了水化熱;而從圖2 看出,MgO 摻量在3 %時對水化熱影響不大,當摻量提高到5 %時顯著降低水化溫峰,說明高MgO 摻量可能會延緩水泥的水化進程。

2．2 　體積變化

　　(1)MgO

　　分別采用HX 低熱和普通水泥與FA、MgO 復合天后移入標養(yǎng)箱中養(yǎng)護) 。

2 　試驗結果與分析

2．1 　水化熱

　　采用HX4215 低熱微膨脹水泥,并采用不同的粉煤灰和氧化鎂摻量進行水化熱試驗,水膠比013 ,試驗結果如表5 。

表5 　水化熱試驗結果及標準要求

　　從表5 可以看出,隨著粉煤灰摻量的增加,各齡期的水化熱明顯降低;在20 %FA 摻量下,使用MgO使水化熱略有提高,且在3d 以前3 %的摻量比5 %摻量的水化熱高,但3d 以后至7d 的兩種水化熱基本一致。

　　FA 摻量變化對HX - L4215 水泥水化溫升影響的試驗結果如圖1 。

圖2 　MgO 摻量對水泥+ 20 %FA 水化溫升的影響

　　成型215cm ×215cm ×28cm 試樣進行凈漿體積變化試驗,測試結果如圖3 、圖4 ,圖中表示了水泥與FA、MgO 的配合比例。

圖3 　HX - L4215 水泥的膨脹- 時間(對數(shù)) 曲線

　　從圖3 看出, 在低熱水泥復合MgO 后, 隨著MgO 摻量從3 %、4 %提高到5 % ,不同齡期的膨脹量顯著提高;在水泥+ 15 %FA 條件下,膨脹量隨MgO摻量從3 %提高到5 %的變化亦顯著提高,表現(xiàn)出MgO 明顯的膨脹特性。從圖4 看出,在普通水泥及普通水泥+ 30 %FA 中內摻MgO 的膨脹規(guī)律與低熱水泥相近,只是膨脹絕對量較低熱水泥低。這說明低熱微膨脹水泥的膨脹組分與MgO 發(fā)生了共同膨脹作用。

(2) 膨脹劑

　　分別采用華新和略陽低熱水泥,內摻15 %FA 和12 %的兩種膨脹劑以及5 %MgO 成型10cm ×10cm ×514cm 進行混凝土體積變化試驗,測試結果如圖5 。

圖5 　不同膨脹劑對體積變化的影響

　　從圖5 中看出,在采用HX 低熱水泥時,HEA1 在3d 的早期膨脹值比HEA2 高,從5d 以后的膨脹性與HEA2 一致,說明兩種膨脹劑的膨脹規(guī)律不同,HEA1早期的膨脹性比HEA2 強;略陽水泥與HEA1 復合時則表現(xiàn)出從3d 到5d 時膨脹量的顯著提高,而到后期,即從30d 以后,膨脹量開始下降,這說明略陽水泥中的膨脹組分主要在早期產生作用; HX 水泥復合5 %MgO 的膨脹量最小,隨時間的增加而緩慢增加,說明MgO 的膨脹性比兩種膨脹劑平緩。

3 　機理分析與實際應用

　　在設計和配制大體積補償收縮混凝土時常采用微膨脹水泥或膨脹劑[3～6 ] ,其中的膨脹源按照特性一般可分為石膏型(鈣礬石型) 、氧化鈣型、鎂氧型、鐵氯型等,其中鐵氯型因引入Cl - 而受到限制。主要通過硫鋁酸鹽、CaO、游離CaO、MgO 等膨脹源在水泥水化過程中與水或水泥的水化產物反應生成鈣礬石AFt 、羥鈣石Ca (OH) 2 和水鎂石Mg (OH) 2 等膨脹性物質[7 ] 。按照時間順序,依次發(fā)生鈣礬石、羥鈣石和水鎂石膨脹。

　　目前市場上銷售的微膨脹水泥和膨脹劑,其膨脹源主要屬于鈣礬石型。因為鈣礬石型膨脹主要發(fā)生在3d～14d 左右齡期內,在此期間產生的混凝土收縮占20 年全部收縮的40 %[8 ] ,因此該類膨脹源對解決一般水泥混凝土結構的補償收縮或產生自應力是有效的。大體積混凝土的水化熱在澆注后迅速升高,一般3d～7d 達到最高值,最高值可能達到90 ℃以上[9 ] ,其后逐步降低到室溫,降溫過程可以持續(xù)2 個月,工程中為了降低內外溫差應力裂縫,通常在利用循環(huán)冷卻水管道、拌和水加冰等方法降低內部溫度的同時對外部保溫,于是整體結構的降溫過程更長。由于溫差大、降溫時間長,其間產生的“冷縮”一方面對體積變化的影響增大,另一方面則滯后于一般膨脹劑的有效膨脹期。MgO 產生的水鎂石膨脹一般在2～6 個月才表現(xiàn)出來,并可以持續(xù)2 年甚至更長[10～11 ] ,因此可以有效地補償大體積混凝土的“冷縮”以及水泥水化后期剩余的收縮。

　　根據(jù)上述試驗結果提出了三峽臨時船閘大體積補償收縮混凝土的參考配比設計,實際工程采用華新4215 低熱微膨脹水泥+ MgO 的雙膨脹技術路線,膨脹量、強度、抗凍及抗?jié)B標號等各項指標滿足設計要求,工程運行狀況良好。

4 　結論

　　(1) 水化熱試驗表明,在低熱微膨脹水泥基礎上復合3 %～5 %的MgO 膨脹劑對水化熱影響不大,MgO 使7d 以內的水化熱降低10kJ / kg 左右。

　　(2) 水泥凈漿試驗表明,低熱微膨脹水泥+ MgO的膨脹量比普通水泥+ MgO 的膨脹量顯著提高;兩種體系以及水泥+ 粉煤灰+ MgO 的體系中, 隨著MgO 的加入并從3 %摻量提高到5 %摻量的膨脹量逐步增加;粉煤灰的加入降低了膨脹量。

　　(3) 混凝土試驗表明,兩種膨脹劑與華新低熱微膨脹水泥復合后的膨脹規(guī)律相近,江西膨脹劑的膨脹量比武漢膨脹劑略高;兩種低熱水泥與武漢膨脹劑復合的膨脹規(guī)律不同,略陽水泥早期的膨脹量較高,后期有下降趨勢,華新水泥則隨著時間持續(xù)增加。低熱微膨脹水泥+ MgO 明顯比低熱微膨脹水泥+ 膨脹劑的膨脹量低。

　　(4) 采用低熱微膨脹水泥+ MgO 的技術路線能夠產生雙重膨脹效應,有利于防治大體積混凝土一般的化學收縮和較嚴重的“冷縮”,實際應用狀況良好。

[參考文獻]

　　[1]袁潤章. 膠凝材料學[M] . 武漢,武漢理工大學出版社,1996. 10 :168.

　　[2]高培偉,吳勝興,林萍華等. 水泥基材料體積穩(wěn)定性對大壩混凝土開裂的影響[J ] . 水利發(fā)電,2005 (3) :33 - 35.

　　[3]陳益民. 大體積混凝土補償收縮研究新趨勢—MgO 膨脹源[J ] . 中國建材科技,1995 (10) :14 - 15.

　　[4]鄧凈. 硅粉微膨脹混凝土在漁洞水庫溢流建筑中的應用[J ] . 云南水力發(fā)電,1997 (1) :45 - 48.

　　[5]王紅旗,方新江,劉曉峰,張錦勇. 外摻MgO 混凝土拱壩應力分析[J ] . 中國農村水利水電,1999 (8) :25 - 28.

　　[6]張子明,張研,宋智通. 水化熱引起的大體積混凝土墻溫度分析[J ] . 河海大學學報(自然科學版) ,2002 (7) :22 - 28.

　　[7]朱洪波,馬保國. 利用多種工業(yè)廢渣制備水泥混凝土膨脹劑[J ] . 新型建筑材料,2005 (1) :19 - 20.

　　[8]重慶建筑過程學院和南京工學院. 混凝土學. 北京,中國建筑工業(yè)出版社,1985. 7 :60.

　　[9]馬保國,張平均,許嬋娟,等. 微礦粉在大體積混凝土中水化熱及抗裂分析[J ] . 武漢理工大學學報. 2003 , (11) :18 - 22.

　　[10]李承木. MgO 混凝土自生體積變形的長期研究成果[J ] . 水利發(fā)電,1998 , (6) :53 - 57.

　　[11]姚曉,唐明述. 鎂氧類水泥膨脹劑的作用機理及影響因素[J ] . 油田化學,1997 , (12) :372 - 376.

[作者簡介] 　胡利民,1962 年生,在讀博士,湖北華新水泥股份有限公司質量總監(jiān)。

[單位地址] 　武漢理工大學硅酸鹽工程教育部重點實驗室501 室(430070)

[聯(lián)系電話] 　027 - 87640064 ,61340461 ; E - mail : zhuhong1965 @163.com