對具有微膨脹特性的低熱硅酸鹽水泥的研究

鐘 貽 輝

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

對具有微膨脹特性的低熱硅酸鹽水泥的研究

鐘 貽 輝

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

水泥水化后的體積變化直接關(guān)系到大壩混凝土的抗裂能力，水化后具有微膨脹特性的水泥對大壩混凝土的抗裂有利，但在很多水電工程中，欲求具有微膨脹的中熱或低熱硅酸鹽水泥卻不是易事，目前溪洛渡、錦屏Ⅰ級大壩混凝土雖然進(jìn)行了多方面的研究，卻仍未將水泥的自生體積變形改善至微膨脹。本文在微收縮低熱硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，調(diào)整生產(chǎn)工藝與生料配方并提高氧化鎂含量的方法，實(shí)現(xiàn)了低熱硅酸鹽水泥在兩種不同骨料大壩混凝土中的微膨脹特性。

微膨脹；低熱硅酸鹽水泥；輕燒氧化鎂；自生體積變形

0 前 言

隨著溪洛渡、錦屏Ⅰ級、小灣、拉西瓦等一批300 m級高拱壩的建設(shè)，對結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行提出了更高的要求，這促使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對組成結(jié)構(gòu)的主要材料混凝土，提出了更好的性能要求，不但要求其保證需要的強(qiáng)度，而且還要求其具有很好的抗裂能力。水電工程為提高水工大體積混凝土與沖磨混凝土的抗裂性能，需要選擇水化熱低、水化后呈微膨脹的水泥作為膠凝材料，隨著我國水泥生產(chǎn)技術(shù)的提高，低熱硅酸鹽水泥的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)成熟，水電工程也能以合理的價格購買到低熱硅酸鹽水泥，但根據(jù)目前水電工程使用低熱硅酸鹽水泥的情況和已被授權(quán)可生產(chǎn)低熱硅酸鹽水泥的生產(chǎn)企業(yè)的水泥質(zhì)量現(xiàn)狀看，欲獲得具有微膨脹特性的低熱硅酸鹽水泥卻很難。也正因?yàn)榇?，國?nèi)多家高校、科研單位、使用單位、生產(chǎn)企業(yè)都在積極開展具有微膨脹特性的低熱硅酸鹽水泥研究。

導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生體積變形的原因較多，骨料品種、水泥品種、摻和料的品種及用量、外加劑的類型與摻量、單方用水量、砂率、粗骨料級配等因素均為引起混凝土產(chǎn)生不同程度的變形，但水泥品種與產(chǎn)地及骨料品種對混凝土自生體積變形的影響最大，主要原因在于水泥水化產(chǎn)生的體積變化是混凝土產(chǎn)生體積變形的最主要的主動因素，而骨料卻是約束水泥水化變形的主要被動因素，因此水泥品種與骨料品種是影響混凝土最終變形的兩大因素。

在特定骨料品種的條件下，水泥品種是影響混凝土自生體積變形的主要因素，欲使其呈現(xiàn)微膨脹，目前的研究成果表明［1－3］，采用外摻輕燒氧化鎂能產(chǎn)生良好的效果。本文在一種自生體積變形小于0的低熱硅酸鹽水泥基礎(chǔ)上，通過調(diào)整生產(chǎn)工藝、摻輕燒氧化鎂、調(diào)整熟料配方的方法，促使其從自生體積變形小于0改善至大于0，并在兩種巖性骨料的大壩混凝土驗(yàn)證其自生體積變形仍然大于0。

1 試驗(yàn)用原材料品質(zhì)及配合比

1.1 水 泥

試驗(yàn)用42.5級低熱硅酸鹽水泥及其熟料成分的分析結(jié)果見表1。

表1 水泥樣品的化學(xué)成份分析及熟料礦物成份試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出，2號樣品相對于1號樣品主要是水泥中的氧化鎂含量發(fā)生了變化，3號樣品較1號、2號樣品的熟料成分發(fā)生了較大的變化，且其氧化鎂含量與2號樣品接近，同時三氧化硫發(fā)生了較大變化。對3種樣品的物理性能檢測結(jié)果表明，3個樣品的凝結(jié)時間、安定性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均滿足《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》（GB200－2003）的要求。

1.2 輕燒氧化鎂

試驗(yàn)用輕燒氧化鎂的試驗(yàn)結(jié)果見表2、3。

表2 化學(xué)成份分析結(jié)果

表3 物理性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 其他原材料

本次試驗(yàn)采用I級粉煤灰，品質(zhì)滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》（DL／T5055－2007）的要求；花崗巖與灰?guī)r人工骨料，品質(zhì)滿足《水工混凝土施工規(guī)范》（DL／T5144－2001）的要求；高效減水劑品質(zhì)滿足《混凝土外加劑》（GB8076－2008）中高性能減水劑的要求；引氣劑品質(zhì)亦滿足《混凝土外加劑》（GB8076－2008）的要求。

1.4 配合比

試驗(yàn)用配合比見表4。

從表4可以看出，采用兩種巖性骨料的混凝土其水泥用量、粉煤灰用量接近，但在濕篩混凝土中花崗巖混凝土的漿骨比較灰?guī)r混凝土的漿骨比大約20%。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 自生體積變形性能

對3個水泥樣品的2種骨料大壩濕篩混凝土的自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

表4 試驗(yàn)用大壩混凝土配合比

圖1 自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果

從圖1中可以看出：

（1）1號水泥樣品的2種骨料混凝土自生體積變形均小于0，且灰?guī)r大壩混凝土的自生體積變形最大值為－21.9×10－6，花崗巖為－48.8×10－6，說明未進(jìn)行工藝與配方處理的低熱硅酸鹽水泥難以使花崗巖與灰?guī)r骨料的大壩混凝土呈現(xiàn)微膨脹；

（2）2號水泥樣品在未處理樣品基礎(chǔ)上只摻入3.0%輕燒氧化鎂，使水泥的總氧化鎂含量接近5%，其相對于1號水泥樣品能夠提高大壩混凝土自生體積變形值，但花崗巖骨料的大壩混凝土的自生體積變形仍然小于0，灰?guī)r骨料的大壩混凝土的自生體積變形在0附近波動，所以摻3.0%輕燒氧化鎂（總氧化鎂含量接近5%）后，對大壩混凝土的自變性能改善效果有限；

（3）3號水泥樣品的混凝土自生體積變形較1號、2號水泥樣品的混凝土自生體積變形有明顯的改善，并使2種骨料的大壩混凝土在1～270 d自生體積變形均大于0，且灰?guī)r大壩混凝土的自生體積變形最大值為36.6×10－6，花崗巖為30.1×10－6，所以調(diào)整工藝、配方對低熱硅酸鹽水泥的自生體積變形性能影響較大，能有效提高大壩混凝土的自生體積變形。

（4）當(dāng)采用同種水泥樣品、膠材用量接近時，灰?guī)r骨料混凝土的自生體積變形與花崗巖骨料混凝土的自生體積變形相差較大，當(dāng)采用1號、2號水泥樣品時，后齡期花崗巖骨料大壩混凝土的收縮值約為灰?guī)r骨料的2倍，表明骨料對混凝土的自生體積變形絕對值的影響很大。

2.2 力學(xué)性能

對1號、3號兩個水泥樣品的2種骨料大壩濕篩混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

1號水泥樣品為工程中常用的成熟的水泥樣品，3號樣品為研究過程中進(jìn)行工藝、配方調(diào)整后的樣品。從表4中可以看出，3號樣品相對于1號樣品在花崗巖與灰?guī)r骨料的大壩濕篩混凝土中的7～180 d抗壓強(qiáng)度、28～180 d劈拉強(qiáng)度均較為接近，表明調(diào)整了工藝參數(shù)與配方的水泥樣品不會對大壩混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

表5 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3 機(jī)理分析

3.1 水泥中氧化鎂的膨脹機(jī)理分析［4－8］

氧化鎂又稱方鎂石，化學(xué)表達(dá)式為MgO，在常溫下可與水反應(yīng)生成水鎂石（Mg（OH）2），反應(yīng)過程中伴隨著體積膨脹，是水泥中常見的一種膨脹源，其含量對水泥的膨脹性能影響較大，如果含量過大將導(dǎo)致水泥的安定性不良，所以各種水泥標(biāo)準(zhǔn)中都對水泥中氧化鎂含量有嚴(yán)格限制，但若對水泥中氧化鎂含量準(zhǔn)確控制，可使水泥滿足安定性要求，且能促使混凝土產(chǎn)生期望的微膨脹。

氧化鎂的水化反應(yīng)速率與其晶體結(jié)構(gòu)、燒成溫度關(guān)系密切。若燒成溫度高，則生成的方鎂石晶體結(jié)構(gòu)致密，活性較低，水化反應(yīng)速率較慢，釋放膨脹量的速率也慢；若燒成溫度較低，則生成的方鎂石晶體結(jié)構(gòu)疏松，活性較高，水化反應(yīng)速率較快，釋放膨脹量的速率快。所以工程可以根據(jù)大壩混凝土需要的膨脹量與膨脹時間來確定選擇氧化鎂的燒成溫度與摻量。

在1號水泥樣品熟料中存在氧化鎂，為過燒的氧化鎂（燒成溫度約為1 380℃左右）；2號水泥樣品中存在兩種氧化鎂，過燒氧化鎂與輕燒氧化鎂，輕燒氧化鎂是專門采用菱鎂礦或白云石等富含氧化鎂的礦物燒制而成，這可控制氧化鎂燒成溫度，用于混凝土的輕燒氧化鎂燒成溫度一般在900℃左右；3號水泥樣本中含有的氧化鎂與2號水泥樣品中的一致。這兩種氧化鎂的水化反應(yīng)程度見表6。

表6 兩種氧化鎂的水化反應(yīng)速率

表6中可以看出，輕燒氧化鎂28 d左右的水化程度相當(dāng)于過燒氧化鎂180 d的水化程度，可見輕燒氧化鎂的膨脹量更能在早期釋放，與大壩混凝土要求的膨脹齡期（一般在150 d以前）比較吻合。

過燒氧化鎂與輕燒氧化鎂在水泥中存在的區(qū)域不同，對膨脹性能的影響較大：過燒氧化鎂是在水泥燒制過程中被固溶到水泥熟料礦物中的，其被水泥熟料包裹，即使水泥被磨制很細(xì)，也很少直接裸露在水泥熟料表面（見圖2），所以過燒的氧化鎂必須在其外部包裹的水泥熟料水化后，方能與水接觸發(fā)生水化反應(yīng)；而輕燒氧化鎂是純度大于90%以上的晶體顆粒，相對于水泥熟料其是被外摻在水泥中的，在水泥中是填充在水泥顆粒的縫隙之間，未被熟料包裹，在混凝土拌和時可以直接與水接觸，所以輕燒氧化鎂幾乎是同時與熟料發(fā)生水化，只要水化就可為混凝土提供膨脹能。水泥中氧化鎂的水化、膨脹機(jī)理如圖3所示。

圖2 水泥熟料中的方鎂石

圖3 氧化鎂水化膨脹機(jī)理示意

從圖3中可以看出，一旦氧化鎂顆粒與水中OH－接觸，表面上的氧化鎂與其發(fā)生反應(yīng)生成Mg（OH）2與水化鎂離子，隨著水化反應(yīng)的逐漸深入，生成的Mg（OH）2越來越多，釋放的膨脹能也越來越大，宏觀上則可表現(xiàn)為混凝土的體積微膨脹。

1號水泥中含有1.74%的過燒氧化鎂，其被包裹在熟料中，很難為混凝土的膨脹提供足夠的膨脹能，而由于低熱硅酸鹽水泥熟料水化總體表現(xiàn)為微收縮，所以1號水泥的混凝土宏觀上表現(xiàn)為收縮。2號水泥含有3.0%的輕燒氧化鎂，由于其水化較快能為混凝土提供部分膨脹能，所以2號水泥的大壩混凝土相對于1號水泥的大壩混凝土表現(xiàn)出收縮更小。3號水泥調(diào)整了配方與工藝，同時保證了輕燒氧化鎂的含量，提高了三氧化硫的含量，使膨脹能更好的得以發(fā)揮，所以3號水泥的混凝土宏觀上表現(xiàn)為微膨脹。

3.2 摻入氧化鎂不會影響力學(xué)性能［9］

2號、3號水泥樣品中的氧化鎂含量較1號水泥樣品提高了約3.0%，雖然氧化鎂水化后生成的水鎂石，強(qiáng)度沒有水泥中主要熟料如C2S、C3S提供給混凝土的強(qiáng)度高，但水鎂石為纖維狀晶體類似鈣礬石，不會對水泥的強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，同時由于其摻量小，非主體礦物，不會對混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。

4 結(jié) 語

本文在自生體積變形小于0的低熱硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整其生產(chǎn)工藝、生料配方，提高三氧化硫含量、摻入輕燒氧化鎂的技術(shù)手段，將該低熱硅酸鹽水泥在花崗巖與灰?guī)r骨料大壩混凝土中的自生體積變形調(diào)整為大于0，使大壩混凝土體積變形呈現(xiàn)微膨脹，且調(diào)整后的低熱硅酸鹽水泥仍然滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，對大壩混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度不產(chǎn)生負(fù)面影響，所以該技術(shù)手段科學(xué)可信，對工程非常適用。

［1］張國新，陳顯明，杜麗惠.摻氧化鎂混凝土的膨脹效果分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2005.

［2］冉璟，鐘貽輝，李曉勇.MgO水泥的膨脹性能研究［J］.水電站設(shè)計(jì)，2008.

［3］曹澤生，徐錦華.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］朱伯芳.微膨脹混凝土自生體積變形的計(jì)算模型和試驗(yàn)方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2002.

［5］朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)［J］.水利發(fā)電學(xué)報(bào)，2000（3）.

［6］李承木.外摻MgO混凝土的基本力學(xué)與長期耐久性能［J］.水利水電科技進(jìn)展，2000，20（5）.

［7］陳文耀，李文偉.內(nèi)含氧化鎂水泥混凝土自生體積變形問題探討［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2008，25（4）.

［8］李鵬輝，許維，劉光廷.外摻氧化鎂混凝土水化宏細(xì)觀試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23（5）.

［9］李承木.外摻氧化鎂混凝土基本力學(xué)與長期耐久性能［J］.水電工程研究，1999（1）.

TV431

B

1003－9805（2015）01－0088－05

2014－06－23

鐘貽輝（1982－），男，四川宜賓人，工程師，從事水工混凝土研究。