輕燒MgO補(bǔ)償收縮混凝土研究與工程應(yīng)用進(jìn)展

楊永民,侯維紅 ,李兆恒,王立華

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點(diǎn)科研基地,廣東 廣州 510635；2.華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640；3.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)

?

輕燒MgO補(bǔ)償收縮混凝土研究與工程應(yīng)用進(jìn)展

楊永民1,2,侯維紅3,李兆恒1,2,王立華1

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東省水利重點(diǎn)科研基地,廣東 廣州 510635；2.華南理工大學(xué),廣東 廣州 510640；3.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)

混凝土中引入一定量的膨脹劑,產(chǎn)生適度膨脹,可有效減小混凝土的收縮變形,減少混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),從而提高混凝土的耐久性。該文介紹了輕燒MgO膨脹劑以及補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用研究現(xiàn)狀,重點(diǎn)綜述了MgO膨脹劑的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀。對(duì)MgO膨脹劑的制備、含MgO混凝土的膨脹機(jī)理、相關(guān)性能以及自生體積變形數(shù)值模擬的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和總結(jié)。在此基礎(chǔ)上,提出MgO自身特性對(duì)膨脹變形的影響規(guī)律、MgO自身的水化以及MgO在水泥膠凝體系中的水化對(duì)含MgO混凝土的變形影響規(guī)律、復(fù)合其它類型的膨脹劑使MgO膨脹劑的變形規(guī)律和普通混凝土的收縮相匹配等方向還需做進(jìn)一步深入的系統(tǒng)研究。

補(bǔ)償收縮混凝土；MgO；應(yīng)用；研究現(xiàn)狀；展望

1 補(bǔ)償收縮混凝土及混凝土膨脹劑

1.1 補(bǔ)償收縮混凝土簡(jiǎn)介

混凝土是當(dāng)今社會(huì)最大宗的人造工程材料,是現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要的支撐材料?；炷猎县S富、價(jià)格低廉、可就地取材、易成型、耐久性好、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),成為現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的首選材料并得到了廣泛應(yīng)用[1]?；炷潦且环N非均質(zhì)脆性材料,混凝土在水化硬化過(guò)程中均會(huì)發(fā)生體積收縮,當(dāng)混凝土的收縮應(yīng)力大于本身的極限拉應(yīng)力時(shí),混凝土將產(chǎn)生開(kāi)裂[3]?；炷林兴嗟乃瘯?huì)釋放大量的水化熱,由于熱量不能快速散發(fā),在混凝土表面和內(nèi)部將產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超出混凝土自身的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂[2]。有關(guān)混凝土的開(kāi)裂問(wèn)題是混凝土使用過(guò)程中必須面對(duì)的問(wèn)題,在混凝土開(kāi)裂問(wèn)題中,80%是混凝土材料受到非荷載應(yīng)力引起的,其中,混凝土的收縮是引發(fā)結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂最為重要的原因[4]。特別是隨著經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)越來(lái)越多的大型建筑物,由于體積龐大,其內(nèi)外表面溫差引起的溫度應(yīng)力問(wèn)題更顯著,由此引發(fā)的裂縫問(wèn)題受到廣泛的關(guān)注。大體積水泥混凝土防裂的主要技術(shù)途徑包括：設(shè)置結(jié)構(gòu)縫、混凝土澆筑分層、混凝土跳倉(cāng)施工,控制澆注塊的相鄰高差等,其中溫控措施主要有預(yù)冷骨料、布置通水冷卻水管、摻冰拌和等,但這些溫控措施復(fù)雜,增加工期,且溫控效果也不理想[5]。

補(bǔ)償收縮混凝土是指在混凝土中摻入適量膨脹劑或用膨脹水泥配制的混凝土。試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用表明：在混凝土中加入適量的膨脹劑,產(chǎn)生適度體積膨脹,可以有效地減小混凝土的收縮[6]。近幾十年來(lái)的國(guó)內(nèi)外的工程應(yīng)用表明,補(bǔ)償收縮混凝土能夠避免或減少開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。因此在很多涉水工程尤其是大體積混凝土中得到大量應(yīng)用[7]。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院基于吳中偉院士補(bǔ)償收縮混凝土的理論[7]提出了補(bǔ)償收縮混凝土結(jié)構(gòu)自防水、超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的無(wú)縫設(shè)計(jì)和施工新方法以及大體積混凝土裂縫控制三大應(yīng)用技術(shù)。

有關(guān)補(bǔ)償收縮混凝土最早追溯到1936年,法國(guó)人Lossier研制出一種硫鋁酸鈣膨脹水泥后,設(shè)想用這種水泥制備化學(xué)預(yù)應(yīng)力混凝土,但由于控制難度太大,并未推廣。1945年,前蘇聯(lián)米哈伊洛夫研制出不透水膨脹水泥,1955年前后,米哈伊洛夫創(chuàng)造出了硅酸鹽膨脹-自應(yīng)力水泥(M型)。1958年,美國(guó)人Klein成功研制出硫鋁酸鈣膨脹水泥(K型水泥)。日本從20世紀(jì)60年代開(kāi)始開(kāi)發(fā)膨脹水泥混凝土,并于1982年頒布了《摻膨脹劑混凝土的配合比設(shè)計(jì)和施工指南》。

我國(guó)于1960年對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行研究,中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院率先對(duì)膨脹混凝土進(jìn)行了研究,先后成功研制出硅酸鹽膨脹水泥、石膏礬土膨脹水泥、明礬石膨脹水泥、礦渣膨脹水泥、硫鋁酸鹽膨脹水泥等,并運(yùn)用到工程中。吳中偉院士在《補(bǔ)償收縮混凝土》一書(shū)中首次提出了補(bǔ)償收縮的原理和正確的補(bǔ)償收縮模式,補(bǔ)償收縮混凝土的設(shè)計(jì)和如何正確使用,為補(bǔ)償收縮混凝土的推廣起到了重要的作用。趙順增,游寶坤[8]結(jié)前人有關(guān)補(bǔ)償收縮混凝土研究的基礎(chǔ)上,提出有關(guān)基礎(chǔ)理論、材料生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)3個(gè)方面亟待解決的一些問(wèn)題。GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》和JGJ/T 178—2009《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》兩部標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái),規(guī)范了補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用技術(shù),促進(jìn)了補(bǔ)償收縮混凝土的規(guī)范使用與推廣使用。

補(bǔ)償收縮混凝土歷經(jīng)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者半個(gè)多世紀(jì)的潛心研究,以及相關(guān)工程成功的推廣使用,已經(jīng)成為水泥基材料科學(xué)的一個(gè)重要的分支。影響混凝土結(jié)構(gòu)收縮開(kāi)裂的因素繁多,涉及材料、設(shè)計(jì)、施工、力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,是一個(gè)系統(tǒng)難題,補(bǔ)償收縮混凝土在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)該還是最具實(shí)用性的裂縫控制材料。

1.2 混凝土膨脹劑介紹

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》(GB 23439—2009)[8]中給出的定義是與水泥、水拌合后經(jīng)水化反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物(如鈣礬石、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣),使混凝土產(chǎn)生體積膨脹的外加劑,簡(jiǎn)稱為混凝土膨脹劑。摻加膨脹劑后,膨脹劑在水化和硬化過(guò)程中產(chǎn)生體積膨脹變形,在受鋼筋與相鄰物質(zhì)以及結(jié)構(gòu)整體性限制,在結(jié)構(gòu)內(nèi)建立0.2～0.7 MPa 的膨脹應(yīng)力,可以有效的抵消混凝土收縮引起的應(yīng)力；膨脹劑會(huì)使延遲混凝土的收縮開(kāi)裂時(shí)間,且隨著齡期延長(zhǎng)不斷增大混凝土的彈性模量及極限抗拉強(qiáng)度[9]。

膨脹劑是在膨脹水泥的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,最早由法國(guó)人H.Lossier于20世紀(jì)30年代提出并取得膨脹水泥的專利；美國(guó)人在20世紀(jì)50～70年代生產(chǎn)出K型、M型及S型膨脹劑水泥；日本是最早提出膨脹劑概念的國(guó)家,并于60年代生產(chǎn)出硫鋁酸鈣膨脹劑(簡(jiǎn)稱CSA)[10]。此后,有關(guān)膨脹劑的研究越來(lái)越廣泛,并相繼出現(xiàn)了氧化鈣類混凝土膨脹劑、硫鋁酸鈣-氧化鈣類混凝土膨脹劑等多種混凝土膨脹劑。我國(guó)關(guān)于膨脹劑的研究起步相對(duì)較晚,從20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行混凝土膨脹劑的研究[6]。我國(guó)混凝土膨脹劑的使用發(fā)展從開(kāi)始的高堿高摻,20世紀(jì)八九十年代的中堿中摻,到現(xiàn)在的低堿低摻。我國(guó)每年使用膨脹劑上百萬(wàn)噸,國(guó)內(nèi)膨脹劑產(chǎn)品很多,應(yīng)用膨脹劑的工程也很多,但在工程應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題,有關(guān)混凝土膨脹劑的研究仍有待繼續(xù)深入。

混凝土膨脹劑按化學(xué)成分可以分為5類：氧化鈣類；硫鋁酸鈣類；硫鋁酸鈣-氧化鈣類；MgO類；氧化鐵類[7]。目前,我國(guó)應(yīng)用廣泛的膨脹劑主要是硫鋁酸鹽類、氧化鈣類、硫鋁酸鹽-氧化鈣類3種,MgO類膨脹劑也已經(jīng)作為一種新興的膨脹劑日益得到推廣應(yīng)用[8,11]。高培偉[12-15]研究認(rèn)為,不同品種的膨脹劑補(bǔ)償收縮效果各不相同；硫鋁酸鈣類和氧化鈣類膨脹劑可有效補(bǔ)償混凝土的早期收縮,后期會(huì)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象；輕燒MgO膨脹劑后期膨脹量大,且不會(huì)出現(xiàn)回縮現(xiàn)象,其延遲微膨脹效應(yīng)與混凝土的降溫過(guò)程匹配良好[16],比較適合補(bǔ)償大體積混凝土的溫縮。MgO 膨脹劑具有需水量少、不需要過(guò)多養(yǎng)護(hù)、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、可調(diào)控設(shè)計(jì)膨脹過(guò)程等特點(diǎn)[17],受到廣大研究者的注意與關(guān)注。

2 MgO在混凝土中的應(yīng)用和現(xiàn)狀

MgO最早被研究者關(guān)注是因?yàn)樽鳛樗嘀幸环N不安定性的組分會(huì)引起建筑物的損壞。1980年,P.K.Mehta[18]通過(guò)摻約5%過(guò)燒MgO到水泥中所產(chǎn)生膨脹研究,認(rèn)為MgO可以作為膨脹劑,利用其水化膨脹所產(chǎn)生的化學(xué)應(yīng)力補(bǔ)償大體積混凝土溫降收縮應(yīng)力,引起了研究者的注意,此后有關(guān)MgO混凝土膨脹劑的研究不斷發(fā)展。

20世紀(jì)70年代,我國(guó)白山大壩使用了含MgO量為 4.7%的水泥,未采取特殊溫控措施,施工過(guò)程中混凝土未發(fā)現(xiàn)貫穿性的裂縫,其表面裂縫也很少,多年后仍未出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象[19]。此后,研究學(xué)者開(kāi)始關(guān)注利用 MgO 延遲膨脹性能補(bǔ)償混凝土的溫度收縮,相關(guān)科研院所于1985開(kāi)始對(duì)外摻MgO混凝土開(kāi)展大量的研究。MgO膨脹劑主要應(yīng)用于補(bǔ)償水工大體積混凝土的溫降收縮,以簡(jiǎn)化溫控措施,縮短工期,降低溫控費(fèi)用。目前,MgO膨脹劑已經(jīng)在這些工程包括吉林白山、紅石電站,貴州的東風(fēng)、普定、索風(fēng)營(yíng)水電站,廣東青溪、飛來(lái)峽、壩美水電站,長(zhǎng)江三峽水利樞紐二期工程和廣西龍灘下游圍堰工程等多個(gè)水利工程中得到成功的應(yīng)用[20]。MgO混凝土在水電工程中應(yīng)用的前景還十分廣闊[17],其應(yīng)用于一般的民用建筑工程的潛力也很大。

3 MgO膨脹劑有關(guān)的研究現(xiàn)狀

3.1 MgO膨脹劑的制備

MgO最初因其膨脹性而作為水泥中一個(gè)不安定的因素而被當(dāng)做有害成分,后來(lái)由P.K.Mehta[18]提出可利用其膨脹性來(lái)作為混凝土的膨脹劑,引起人們的重視與研究。研究者通過(guò)煅燒菱鎂礦制備成外摻使用的MgO膨脹劑。由于MgO膨脹劑的膨脹特點(diǎn)是延遲膨脹,并不能滿足所有工程的需要,因此許多學(xué)者提出制備復(fù)合型的膨脹劑,研究了煅燒白云石、蛇紋石礦物來(lái)制備MgO膨脹劑[5,21-24]。相關(guān)研究表明[26-27],600 ℃～800 ℃低溫下煅燒得到的MgO膨脹劑早期水化速度較快,混凝土硬化早期即可達(dá)到很高的膨脹值,利于補(bǔ)償小型構(gòu)件收縮變形；在1 000 ℃～1 200 ℃高溫下煅燒得到的MgO膨脹劑由于晶體結(jié)構(gòu)致密,水化速度較慢,延遲膨脹效果可以有效的與大體積混凝土的溫縮相匹配,可用來(lái)補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮[20]。MgO膨脹劑由于煅燒制度的不同,產(chǎn)生的膨脹效果也是不一樣,應(yīng)根據(jù)工程需要,選擇合適的MgO制備方法。

3.2 MgO混凝土的膨脹機(jī)理

有關(guān)MgO的膨脹機(jī)理從MgO膨脹劑開(kāi)始使用之初就已經(jīng)開(kāi)始有研究,相關(guān)的膨脹機(jī)理有：Chatterji[50]提出的晶體生長(zhǎng)理論,即結(jié)晶態(tài)膨脹組分由于晶體生長(zhǎng)穿透周圍物質(zhì)而向外生長(zhǎng),當(dāng)MgO遇水發(fā)生水解,形成可溶解的微晶,這些可溶解微晶會(huì)繼而形成重結(jié)晶,并逐漸長(zhǎng)大,從而產(chǎn)生了膨脹效應(yīng)。MgO影響水泥漿體膨脹的動(dòng)力源于MgO水化產(chǎn)生結(jié)晶生長(zhǎng)壓,影響結(jié)晶生長(zhǎng)壓的主要因素包括Mg(OH)2生成位置、離子溶解度與Mg2+擴(kuò)散特性；Metha[51-53]等提出吸水腫脹理論,即由于凝膠態(tài)膨脹組分吸水體積增大而引起膨脹；此外,還有局部化學(xué)反應(yīng)理論,固相反應(yīng)理論和進(jìn)入溶液反應(yīng)理論等[16]。

目前,普遍認(rèn)可的是鄧敏[54]等提出的關(guān)于MgO膨脹劑的膨脹機(jī)理,即MgO膨脹劑的直接膨脹驅(qū)動(dòng)能源于Mg(OH)2晶體的腫脹力和結(jié)晶壓力。在水化早期,Mg(OH)2晶體細(xì)小,漿體的膨脹主要因素是吸水腫脹力,隨Mg(OH)2晶體的長(zhǎng)大,晶體的結(jié)晶生長(zhǎng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀闹饕獎(jiǎng)恿Α＜?xì)小的聚集在MgO顆粒表面附近的Mg(OH)2晶體能產(chǎn)生較大的膨脹,而粗大的分散在MgO顆粒周圍較大區(qū)域內(nèi)的Mg(OH)2晶體引起的膨脹較小。此外,還解釋了粉煤灰可以抑制MgO混凝土的膨脹的機(jī)理[34-35]。

3.3 MgO混凝土的相關(guān)性能

國(guó)內(nèi)歷經(jīng)20年的變形觀測(cè)與10多年的力學(xué)與變形性能研究[28-32],試驗(yàn)結(jié)果表明摻MgO混凝土的自生體積變形長(zhǎng)期而言是穩(wěn)定的。變溫條件下隨混凝土養(yǎng)護(hù)溫度升高,MgO仍會(huì)繼續(xù)膨脹產(chǎn)生較大的膨脹變形,但溫度降低已產(chǎn)生的膨脹量也不會(huì)倒縮[33]。

楊華全等的研究表明在謹(jǐn)慎選擇MgO摻量和細(xì)度前提下,外摻MgO能顯著改善混凝土的干縮、自生體積變形和徐變[36-37]。當(dāng)MgO摻量超過(guò)一定值后,會(huì)破壞水泥石與骨料的界面,對(duì)混凝土的基本性能產(chǎn)生影響[38]。適量MgO膨脹劑的混凝土物理力學(xué)性能有所改善,其耐久性能也有所提高[39]。

體積安定性是MgO混凝土的一個(gè)重要性能。因?yàn)镸gO膨脹劑的膨脹持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),需采取相應(yīng)的加速方法快速評(píng)價(jià)MgO混凝土的安定性。目前,對(duì)于MgO混凝土安定性的評(píng)估方法尚沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。壓蒸法由于自身的一些缺陷,而受到質(zhì)疑。莫立武[40]等提出采用80℃水養(yǎng)護(hù)摻MgO膨脹劑混凝土的方法進(jìn)行加速試驗(yàn),提出綜合采用膨脹、抗壓和抗折強(qiáng)度作為評(píng)定安定性的指標(biāo)。

3.4 MgO混凝土自生體積變形的數(shù)學(xué)模型

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始就已經(jīng)利用外摻MgO混凝土進(jìn)行了相關(guān)的筑壩工程,有關(guān)水工工程中用到外摻MgO混凝土的工程已經(jīng)很多,積累了大量的變形數(shù)據(jù)[41]?；谕鈸組gO混凝土筑壩技術(shù)的推廣使用,建立相關(guān)的自生體積變形模型,可以為工程的安全、設(shè)計(jì)提供參考,特別是可以為相關(guān)的仿真工程提供計(jì)算參數(shù)。

朱伯芳提出計(jì)算微膨脹混凝土自生體積變形的方法,建立了考慮這一差別的自生體積變形計(jì)算模型[41]。在全量型模型的基礎(chǔ)上提出了微膨脹混凝土自生體積變形的增量計(jì)算模型,考慮到相關(guān)影響因素,給出了4種表達(dá)式[43]。

楊光華[33,44-45]通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間追蹤的工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn),建立了恒溫條件下MgO微膨脹混凝土自生體積變形特性符合雙曲線模型,得到恒溫條件下外摻MgO自身體積變形與溫度及時(shí)間的關(guān)系；并提出利用當(dāng)量齡期法計(jì)算變溫條件下外摻MgO混凝土的變形情況,并與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,確定其可行性。

劉數(shù)化[46]等通過(guò)相關(guān)研究,建立MgO混凝土自生體積變形與MgO摻量,粉煤灰摻量及溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,為工程的使用及科研研究提供指導(dǎo)與參考作用。劉西軍[47]等又提出利用“等效齡期”法計(jì)算實(shí)際工程中MgO混凝土的自生體積變形。還有許樸[48]等的指數(shù)雙曲線模型,陳昌禮[49]等的反正切曲線模型,等等。

關(guān)于MgO膨脹混凝土的變形模型的研究可以為工程的使用及研究提供參考,有利于仿真模型的建立以及MgO膨脹混凝土的技術(shù)發(fā)展及推廣使用。但是目前尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的模型標(biāo)準(zhǔn),有關(guān)計(jì)算的方法還存在一些爭(zhēng)議與疑問(wèn),這不利于MgO混凝土技術(shù)的推廣,需要廣大研究者繼續(xù)深入研究,以及相關(guān)使用工程的進(jìn)一步論證。

3.5 影響MgO混凝土高性能化的材料因素

清華大學(xué)苗苗[55]總結(jié)出,影響混凝土膨脹劑有效膨脹性能發(fā)揮的主要因素為三類自身有關(guān)的因素、混凝土有關(guān)的因素、外在條件有關(guān)的因素。下面主要分析一下影響MgO膨脹劑有效膨脹性能發(fā)揮的主要因素。

3.5.1 MgO性能

MgO的活性受多個(gè)因素的影響。對(duì)MgO燒制過(guò)程的研究表明,影響MgO活性的一系列因素均取決于MgO來(lái)源礦物的煅燒制度[56]。煅燒溫度的高低可以影響反應(yīng)生成的MgO的晶格大小及內(nèi)比表面積的大小。低溫煅燒時(shí),MgO晶格較大,晶粒之間存在較大的空隙,疏松多孔,MgO反應(yīng)速度快。高溫煅燒時(shí),MgO晶格的尺寸減小,結(jié)晶粒子間密實(shí),MgO反應(yīng)速度慢。即隨著煅燒溫度的提高,生成的MgO的水化速率變慢[57]。

MgO的細(xì)度對(duì)混凝土膨脹變形有很大的影響。MgO細(xì)度越細(xì),在混凝土中分散均勻,所形成的膨脹力也分散,混凝土整體膨脹變形小；但細(xì)顆粒的MgO水化較快,在相同齡期內(nèi)水化相對(duì)充分,混凝土整體的膨脹變形較大[57]。因此,有關(guān)MgO的細(xì)度對(duì)混凝土膨脹性能的影響需根據(jù)具體情況分析。此外,在其他因素相同的條件下,混凝土的膨脹量隨MgO摻量的增大而增大。

3.5.2 骨料級(jí)配

骨料是混凝土組成中占了絕大部分體積的一個(gè)重要組成部分,對(duì)混凝土的膨脹性能也有較大的影響。李洋[16]根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果得出：不同骨料MgO砂漿在不同溫度下的膨脹曲線不一致,其膨脹量增長(zhǎng)幅度也不同；骨料不同,MgO砂漿混凝土的力學(xué)特性也不用,但隨齡期的增大其差值會(huì)減??；不同骨料,MgO混凝土界面過(guò)渡區(qū)水化產(chǎn)物類似,但數(shù)量和發(fā)育程度不同。方坤河[58]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到,在相同的MgO摻量和水灰比下,去除40mm骨料后的混凝土,多級(jí)配的混凝土早期體積變形量大于單級(jí)配的混凝土,但是多級(jí)配的混凝土后期體積變形量小于單級(jí)配的混凝土。可以看出不同種類骨料對(duì)于MgO混凝土的膨脹性能的影響是不同的,相關(guān)變形特性及計(jì)算模型不能簡(jiǎn)單套用。

3.5.3 礦物摻合料

粉煤灰作為混凝土中一種重要的摻合料,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土中。有關(guān)MgO混凝土必須考慮膨脹劑MgO與粉煤灰的相適性。陳昌禮[59]等在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上研究了粉煤灰對(duì)摻MgO的一級(jí)配、二級(jí)配和三級(jí)配混凝土的自生體積變形影響試驗(yàn),結(jié)果表明摻入粉煤灰的MgO混凝土早期自生體積變形高于未摻粉煤灰的MgO混凝土,即粉煤灰的摻入不會(huì)改變外摻MgO混凝土的延遲膨脹特性,提出了膨脹效果是由于MgO水化產(chǎn)生的膨脹抵消水泥水化產(chǎn)生收縮的綜合效果。

3.5.4 水灰比

水灰比是混凝土中的一個(gè)重要參數(shù),決定著混凝土的許多力學(xué)性能。陳昌禮[60,61]等根據(jù)MgO混凝土自生體積變形影響的測(cè)試結(jié)果得出,外摻MgO摻量相同時(shí),混凝土的自生體積變形總體上隨著水灰比的增大而增大。

3.5.5 養(yǎng)護(hù)制度

成型后的養(yǎng)護(hù)是混凝土性能發(fā)展的重要影響因素。李承木[62]在不同養(yǎng)護(hù)條件下測(cè)定MgO混凝土的自生體積變形,得出MgO摻量相同時(shí),混凝土自生體積變形的膨脹速率及膨脹量均隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增大的結(jié)果。袁明道[33]通過(guò)長(zhǎng)年跟蹤外摻MgO混凝土的變形情況,認(rèn)為混凝土在恒溫條件下3.5年趨于穩(wěn)定,且單調(diào)遞增不可逆。變溫條件下混凝土養(yǎng)護(hù)溫度升高,仍會(huì)繼續(xù)膨脹,溫度降低不會(huì)倒縮。韋潤(rùn)鋒[63]等同樣得到這樣的結(jié)果：提高養(yǎng)護(hù)溫度,可以有效加速M(fèi)gO的水化。

4 結(jié)論與展望

MgO膨脹劑具有需水量少、養(yǎng)護(hù)制度要求不高、水化產(chǎn)物穩(wěn)定、膨脹過(guò)程可控,膨脹均勻穩(wěn)定且不會(huì)回縮,其延遲微膨脹效應(yīng)與混凝土的降溫過(guò)程匹配良好,適合補(bǔ)償大體積混凝土的溫縮。其成熟利用還需要進(jìn)一步的研究和完善,主要包括：

1) 從MgO特性角度出發(fā),系統(tǒng)的研究MgO化學(xué)性能、粉體粒徑以及顆粒級(jí)配等對(duì)微膨脹混凝土變形性能的研究不多,大部分的工作是針對(duì)具體工程應(yīng)用而進(jìn)行的研究；

2) 對(duì)MgO的水化以及MgO在水泥中的水化還需進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究,以為MgO的膨脹理論提供論證支撐。且現(xiàn)代高性能混凝土發(fā)展的必然趨勢(shì)是復(fù)合化,MgO在復(fù)合膠凝體系中的水化進(jìn)程規(guī)律和機(jī)理也需進(jìn)一步探明；

3) 骨料在混凝土中占有較大的體積分?jǐn)?shù),目前骨料對(duì)混凝土收縮抑制的研究較多且較為透徹。但對(duì)于微膨脹混凝土,骨料是否對(duì)膨脹也有抑制作用則需通過(guò)試驗(yàn)論證,抑制的規(guī)律和機(jī)理有待深入研究；

4) 外加劑是現(xiàn)代混凝土材料中不可或缺的第六組份。關(guān)于MgO與外加劑的相容性以及各種外加劑對(duì)MgO的力學(xué)及變形性能的影響規(guī)律和機(jī)理研究報(bào)道較少；

5) MgO與CaO以及石膏膨脹劑的最大不同在于MgO受濕度的影響較小,但受溫度的影響較大。目前關(guān)于MgO的養(yǎng)護(hù)制度研究通常限于恒溫養(yǎng)護(hù)制度,但實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,大壩中水泥水化放熱是一個(gè)前期升溫后期自然冷卻降溫的過(guò)程,即MgO混凝土性能發(fā)展所經(jīng)歷的是一個(gè)變溫場(chǎng)的過(guò)程。在變溫場(chǎng)的作用下,其力學(xué)性能和變形性能發(fā)展規(guī)律和機(jī)理如何,有待進(jìn)一步探析；

6) 與鈣礬石類膨脹劑相比,MgO的特點(diǎn)是受養(yǎng)護(hù)濕度影響小,且膨脹主要發(fā)生在中后期,而煅燒CaO和石膏的膨脹是早期的膨脹,為了綜合調(diào)節(jié)膨脹混凝土的變形性能,實(shí)現(xiàn)適時(shí)適宜(變形時(shí)機(jī)可控,變形量可調(diào)),還可以避免養(yǎng)護(hù)溫度和濕度的影響,所以可以利用膨脹劑的復(fù)合協(xié)同來(lái)綜合調(diào)控變形性能,實(shí)現(xiàn)持續(xù)且可調(diào)節(jié)的膨脹,有很現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 王彩波,李偉,宋建夏.混凝土材料可持續(xù)發(fā)展探討[J].科技資訊,2008(24):64-65．

[2] 李小燕.機(jī)場(chǎng)道面裂縫修補(bǔ)材料的合成[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué),2008

[3] 陳昌禮,陳學(xué)茂 . MgO膨脹劑及其在大體積混凝土中的應(yīng)用 [J].新型建筑材料,2007(4) ：60-63．

[4] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,1999．

[5] 王俠. MgO的水化膨脹特性及新型鎂質(zhì)膨脹劑的制備與性能[D]. 南京: 南京工業(yè)大學(xué),2002．

[6] 唐輝宇. 混凝土膨脹劑的應(yīng)用[J]. 福建建材,2003(3): 32-33．

[7] 吳中偉,張鴻直.膨脹混凝土[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1990:87．

[8] 混凝土膨脹劑：GB 23439—2009[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009．

[9] 吳中偉,張鴻直. 膨脹混凝土[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社,1990.

[10] 游寶坤. 中國(guó)混凝土膨脹劑研究及其開(kāi)發(fā)概況[C]∥首屆全國(guó)混凝土膨脹劑學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，1994:7-13．

[11] 高鐘偉,方坤河,楊華山,等 . 補(bǔ)償大體積混凝土溫度收縮的雙膨脹源膨脹劑的研究 [J]. 混凝土,2005(5) ：38-43．

[12] 高培偉,盧小琳,唐明述. 膨脹劑對(duì)混凝土變形性能的影響[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006,38(2): 251-255

[13] Gao PeiWei,Lu XiaoLin,Tang Mingshu. Shrinkage and expansive strain of concrete with fly ash and expansive agent[J]. Journal of Wuhan University of Technology Materials Science,2009,24(1): 150-153

[14] 高培偉,吳勝興,林萍華,等. 含膨脹劑的碾壓混凝土抗硫酸鹽侵蝕機(jī)理與理論模型[J]. 水利發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(1): 90-93．

[15] 高培偉,吳勝興,鄧敏,等. 摻膨脹劑后碾壓混凝土的抗凍特性研究[J]. 河海大學(xué)學(xué)報(bào),2005,33(2): 186-189．

[16] 李洋. 骨料種類對(duì)MgO混凝土膨脹性能的影響研究[D].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院,2012

[17] 莫立武,鄧敏. MgO膨脹劑的研究現(xiàn)狀[J]. 膨脹劑與膨脹混凝土,2010(1): 2-9

[18] P.K.Mehta. Magnesium Oxide Additive for Producing Self Stress in Mass Concrete[J].Proceedings of the 7th International Congress on the Chemistry of Cement,Paris,1980,1(3):6-9．

[19] 李承木. MgO 微膨脹混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用綜述[J]. 水電工程研究,1999(2):l-9．

[20] 陳昌禮,李承木. MgO混凝土的研究與應(yīng)用[J]. 混凝土,2006(5) :45-47．

[21] P. Gao X. Lu et al. Production of MgO-type expansive agent in dam concrete by use of industrial by-products [J].Building and Environment,2008,43(4):453-457．

[22] L. Xu M. Deng. Dolomite used as raw material to produce MgO-based expansive agent [J]. Cement and Concrete Research,2005(35):1 480-1 485．

[23] 歐陽(yáng)幼玲. 鎂質(zhì)復(fù)合膨脹劑的制備與性能[D]. 南京：南京化工大學(xué),1999．

[24] 趙霞. 龍灘水電站碾壓混凝土用特種MgO膨脹材料的性能[D]. 南京:南京工業(yè)大學(xué),2004．

[25] 劉加平,王育江,田倩,等 . 輕燒MgO膨脹劑膨脹性能的溫度敏感性及其機(jī)理分析 [J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào),2011,41(2) ：359-364．

[26] Gao P W,Wu S X,Lu X L,et al. Soundness evaluation of concrete with MgO[J]. Construction and Building Materials,2007,21(1): 132-138．

[27] Quanbing Yang,Beirong Zhu,Shuqing Zhang,Xueli Wu.ProPerties and Applications of magnesia-phosphate cement mortarofr rapid repair of concrete[J].Cement and Concrete Research,2000(30):1 807一18 137.

[28] 陳昌禮,鄭治,王小健.MgO混凝土的力學(xué)及變形性能試驗(yàn)研究[J].水電站設(shè)計(jì),1993(9):66-71.

[29] 樓宗漢,葉青,陳胡星,等.熟料中MgO的水化及其膨脹性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1998,26(4):430-436．

[30] 施惠生.游離氧化鈣對(duì)水泥漿體體積膨脹的影響機(jī)制[J].水泥,2000(4)：1-3.

[31] 楊華全,周寧賢.MgO微膨脹混凝土性能研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1993(9):131-135.

[32] 樓宗漢.水泥熟料中Mgo的水化和膨脹性能[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),1998,26(4):430-436.

[33] 袁明道. 外摻MgO微膨脹混凝土變形特性研究[D]. 武漢: 武漢大學(xué),2013．

[34] 李方賢,陳友治,龍世宗,等. MgO 膨脹劑對(duì)混凝土的性能影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(11): 52-55．

[35] 劉數(shù)華,方坤河. MgO 混凝土自生體積變形的數(shù)學(xué)模型[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2006,25(1):81-84．

[36] 陳霞,楊華全,李家正.外摻MgO混凝土的變形特性研究[J]. 人民長(zhǎng)江,2011,42(4): 88-90．

[37] 李家正,陳霞,楊華全,等. 外摻MgO混凝土性能研究綜述[J].膨脹劑與膨脹混凝土， 2010(1): 10-14

[38] 鐘業(yè)盛. 鎂質(zhì)混凝土膨脹劑效能的研究[D]. 南京: 南京工業(yè)大學(xué),2006．

[39] 李承木. 外摻MgO混凝土的基本力學(xué)與長(zhǎng)期耐久性能[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2000,20(5)：30-35．

[40] MO Liwu,DENG Min,TANG Mingshu. Evaluation of soundness of concrete containing MgO-based expansive agent[J]. Journal of Central South University,2007(14):63-68．

[41] 朱伯芳. 論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)[J ] . 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2000(3):1-12．

[42] 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(3):18-21 ．

[43] 朱伯芳. 微膨脹混凝土自生體積變形的增量型計(jì)算模型[J] . 水力發(fā)電,2002,29(2):20-23．

[44] 楊光華,袁明道. MgO微膨脹混凝土自生體積變形的雙曲線模型[J] . 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(4):38-44．

[45] 袁明道，楊光華. MgO微膨脹混凝土自生體積變形的計(jì)算與原型觀測(cè)的對(duì)比分析[C]∥中國(guó)水利學(xué)會(huì).中國(guó)水利學(xué)會(huì)首屆青年科技論壇論文集，2003.

[46] 劉數(shù)華,方坤河. MgO脹混凝土自生體積變形的數(shù)學(xué)模型[J].水力發(fā)電，2006，25(1)：81-84.

[47] 劉西軍,陳斌,梁國(guó)錢. MgO混凝土變形模擬中新的“等效齡期”法[J]. 水力發(fā)電,2007,33(7):42-44．

[48] 許樸,朱岳明,賁能慧.基于水化度的MgO混凝土自生體積變形計(jì)算模型[J].水利水電技術(shù)，2008(2):22-25．

[49] 陳昌禮,馮林安,方坤河.MgO混凝土自生體積變形的反正切曲線模型[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2008(4):106-110．

[50] S.Chatterji. Mechanism of expansion of concrete due to the presence of dead-burnt Cao and MgO [J]. Cenment and Concrete Research ,1995,25(1): 51-56

[51] P.K.Metha. Mechanism of expansion associated with ettringite formation [J].Cement and Concrete Research,1973,3(1):1-6．

[52] Chen M D. Theories of expansion in sulfoaluminate-type expansion cements: Schools of thought[J]. Cement and Concrete Research ,1983,13(6):809-818．

[53] Metha. P K. Expansion of ettringite by water adsorption [J]. Cement and Concrete Research ,1982,12(1):121-122．

[54] 鄧敏,崔雪華,劉元湛,等.水泥中MgO的膨脹機(jī)理[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1990,12(4):1-11．

[55] 苗苗. 膠凝材料組成和溫度對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土變形性能的影響[D]. 北京: 清華大學(xué),2012．

[56] 崔鑫,鄧敏.MgO制備方法、活性與水化測(cè)定方法綜述[J].硅酸鹽通報(bào),2008,27(1):136-141．

[57] 方坤河.過(guò)燒MgO的水化及其對(duì)混凝土自生體積變形的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2004,23(4):45-49．

[58] 方坤河,劉小瑩,陳昌禮,等.骨料級(jí)配對(duì)外摻MgO混凝土膨脹性能的影響[J].混凝土,2012(4):92-94．

[59] 陳昌禮,方坤河,蔣君,等.粉煤灰對(duì)外摻MgO混凝土自生體積變形的影響[J].混凝土,2012(5):67-69．

[60] 陳昌禮,方坤河,李維維,等.配合比的主要參數(shù)對(duì)外摻MgO混凝土自生體積變形的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2013,32(2):252-256．

[61] 李維維,陳昌禮,方坤河,等.水灰比對(duì)外摻MgO混凝土自生體積變形的影響[J].水電能源科學(xué),2011,29(10):57-59．

[62] 李承木.摻MgO混凝土自生體積變形的溫度效應(yīng)試驗(yàn)及其應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,1999,19(5):33-38.．

[63] 韋潤(rùn)鋒,鄧敏,莫立武.高溫養(yǎng)護(hù)和粉煤灰摻量比對(duì)外摻MgO混凝土膨脹和劈裂抗壓強(qiáng)度的影響[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然版),2010,33(1):57-59．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

The research progress and application of concrete shrinkage compensation with Light burnt MgO

Yongmin Yang1,2,Weihong Hou3, Zhaoheng Li1,2, Lihua Wang1

(1.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangdong Provincial Key Scientific Research Base， Guangzhou， 510635；2.South China University of Technology， School of Materials Science and Engineering， Guangzhou， 510640；3.Wuhan Sanyuan special building materials Co., Ltd. Wu Han，430000)

To produce moderate expansion， reduce cracks in concrete created by the shrinkage， and improve the impermeability of concrete， a certain amount of expansive agent is often added into concrete.This paper reviews emphatically preparation of MgO-based expansive agent， related performance of concrete containing light-burned magnesia， simulation of autologous volume deformation value， expansive mechanism of light-burned magnesia， influence rule of high performance concrete with light-burned magnesia. This paper raises that the following directions should be further studied systematically， including the influence of light-burned magnesia characteristics on swelling deformation， the hydration of light-burned magnesia itself and in the cement gel system， the influence of aggregate， admixture and curing system on concrete deformation with light-burned magnesia， MgO-based expansive agent coupling with other kinds of expanders which can make deformation rule and shrinkage of normal concrete match better.

Compensating Contraction Concrete； Light-burned Magnesia； Application； Research Situation； Prospect

2016-01-29;

2016-02-25

楊永民(1981)，男，博士研究生，高級(jí)工程師，從事水工建筑材料試驗(yàn)研究工作。

TV431

A

1008-0112(2016)01-0001-06