氯氧鎂改性混凝土設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)研究

尹湯軍

摘要：為了研究出適應(yīng)西南地區(qū)氣候的道路材料和有效的處理鹽湖地區(qū)含氯氧鎂的廢料，文章研究出了作為道路材料的氯氧鎂改性混凝土，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥混凝土，并通過(guò)加入抗水劑、粉煤灰等外加劑能顯著提高其耐水性、耐磨性和收縮性。氯氧鎂改性混凝土綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥混凝土，但其運(yùn)輸?shù)瘸杀据^高，綜合性價(jià)比為0.83，實(shí)際工程中需考慮就地取材等因素。

關(guān)鍵詞：西南地區(qū);氯氧鎂改性混凝土;性價(jià)比

中圖分類號(hào)：U416.03A220803

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)普遍存在海拔高、晝夜溫差大和長(zhǎng)期溫度較低等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)于道路工程建設(shè)存在較大困難，普遍應(yīng)用在工程建設(shè)中的普通硅酸鹽水泥在這樣的環(huán)境下，會(huì)存在水化速率降低、凝結(jié)硬化較慢、早期強(qiáng)度較低和易開(kāi)裂等缺點(diǎn)，導(dǎo)致道路工程提前損壞或出現(xiàn)諸多病害，造成資源的大量浪費(fèi)。

氯氧鎂水泥是一種氣硬性膠凝材料，與傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥不同，氯氧鎂水泥成型后能更好地抵抗因外界溫度、濕度等環(huán)境變化而引起的強(qiáng)度和體積變化，因此將氯氧鎂水泥應(yīng)用在西南地區(qū)的道路建設(shè)中能顯著地提高道路的使用壽命。與此同時(shí)，西南地區(qū)存在大量的鹽湖，在鹽湖中提取鉀肥會(huì)產(chǎn)生大量含氯氧鎂的廢料，如果處理不當(dāng)，將會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，氯氧鎂水泥的使用不僅能改善工程質(zhì)量，還能“變廢為寶”，達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的。

但是，目前氯氧鎂水泥的應(yīng)用范圍較為狹窄，如裝飾和包裝材料、耐火磚和管道中[1-2]，應(yīng)用于道路施工混凝土中還很少見(jiàn)，主要的原因分為以下兩點(diǎn)：（1）國(guó)內(nèi)外對(duì)于氯氧鎂改性混凝土的主要研究集中于耐水性[3-4]，并沒(méi)有明確的技術(shù)指標(biāo)表明其在道路工程施工的應(yīng)用;（2）氯氧鎂水泥與傳統(tǒng)硅酸鹽水泥性質(zhì)存在許多差異，傳統(tǒng)的規(guī)范和施工方案并不適用[5-6]。

但在西南地區(qū)道路施工中的問(wèn)題主要有原材料運(yùn)輸困難、溫度低導(dǎo)致材料前期強(qiáng)度發(fā)展不足和后期抵抗凍融能力較低，通過(guò)以往對(duì)于氯氧鎂水泥的研究[7-11]，氯氧鎂改性混凝土能很好地解決上述問(wèn)題，因此制定出氯氧鎂改性混凝土應(yīng)用于道路施工中的方案和可行性分析，是十分有指導(dǎo)意義的。

1 氯氧鎂改性混凝土設(shè)計(jì)

1.1 配合比設(shè)計(jì)參照

氯氧鎂改性混凝土是以氯氧鎂水泥為膠凝材料，加之砂、石、水和其他外加劑混合而成的一種材料，加入的物質(zhì)及量的多少都將對(duì)材料的性能產(chǎn)生很大的影響，因此，本文將結(jié)合普通硅酸鹽水泥的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)修正相關(guān)參數(shù)，使其能達(dá)到工程要求。普通硅酸鹽水泥的設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示，氯氧鎂水泥混凝土相關(guān)的技術(shù)要求如表1所示。

1.2 配合比設(shè)計(jì)實(shí)例

本次試驗(yàn)對(duì)于混凝土的要求為抗壓強(qiáng)度30 MPa、抗彎拉強(qiáng)度4.0 MPa、坍落度為10～50 mm，在此之前需要對(duì)氯氧鎂改性混凝土的配合比進(jìn)行探究，首先需要進(jìn)行氧化鎂含量的探究，通過(guò)控制量，改變氧化鎂的含量配置不同的混凝土，測(cè)量其7 d后的強(qiáng)度，如圖2所示，從圖中可以看出，氧化鎂的含量與混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度成正比，當(dāng)氧化鎂含量為190 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均低于要求值，當(dāng)氧化鎂含量為210 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到要求，但是抗折強(qiáng)度未達(dá)到要求，當(dāng)氧化鎂含量為230 kg時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均能達(dá)到要求值，故在考慮經(jīng)濟(jì)和強(qiáng)度要求的條件下，選取氧化鎂含量為230 kg。

其余原材料的用量可通過(guò)相關(guān)計(jì)算得到，如通過(guò)式（1）計(jì)算得到氯氧鎂的用量為104.05 kg/m3，通過(guò)式（2）計(jì)算得到最佳用水量為81.07 kg/m3、含砂率為38%、砂用量754.25 kg/m3和碎石用量為1 230.63 kg/m3。以上所有原材料的用量配比是室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的具體條件，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室配比進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終的配比如表2所示。

2 氯氧鎂改性混凝土應(yīng)用

2.1 性能檢測(cè)

道路材料最終能否應(yīng)用在實(shí)際工程之中，需要對(duì)其相關(guān)的性能進(jìn)行檢測(cè)，如耐水性、收縮性、抗?jié)B性以及抗凍性等，應(yīng)該需要對(duì)以上配比的氯氧鎂改性混凝土進(jìn)行驗(yàn)證。

混凝土的耐水性驗(yàn)證是將制作好的試件先放在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，隨后將試樣分別放在淡水和濃度為10%的 Na2SO4溶液中浸泡28 d，浸泡后將試樣放在烘箱中烘干，烘干溫度設(shè)置為60 ℃，最后測(cè)量其抗壓和抗折強(qiáng)度及軟化系數(shù)。最終得到的結(jié)果是淡水中的試樣強(qiáng)度下降了40%左右，而Na2SO4溶液中的試樣強(qiáng)度下降30%左右，原因是Na2SO4進(jìn)入到試樣內(nèi)部后會(huì)形成某種結(jié)晶物質(zhì)堵塞通道，防止水對(duì)試樣的進(jìn)一步損傷。但是氯氧鎂改性混凝土的強(qiáng)度高于普通硅酸鹽混凝土，浸泡過(guò)后雖然強(qiáng)度下降，但是仍然高于普通硅酸鹽混凝土，因此以上結(jié)果表明雖然該混凝土在水中會(huì)被軟化導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低，但是其耐水性仍然滿足工程要求。

道路用混凝土的收縮性主要是其體積的變化，但是體積的改變會(huì)間接改變混凝土的孔隙率，這就會(huì)對(duì)混凝土的抗凍性和抗碳化性等產(chǎn)生直接的影響，因此有必要對(duì)氯氧鎂改性混凝土的收縮性進(jìn)行研究，本次試驗(yàn)將不同種類能抵抗收縮性的物質(zhì)加入到氯氧鎂改性混凝土中，然后與普通硅酸鹽水泥的收縮性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看出，水泥砂漿的收縮變形主要在20 d之前，20 d之后體積較為穩(wěn)定，前期的變形主要是由于水泥砂漿的水化反應(yīng)引起的。與普通硅酸鹽水泥類似，氯氧鎂水泥砂漿也會(huì)存在收縮變形，加入礦粉和粉煤灰的砂漿也發(fā)生了膨脹變形，但是幅度很小，近似認(rèn)為是穩(wěn)定的狀態(tài);加入白云石粉的砂漿發(fā)生了收縮變形，幅度也只有普通硅酸鹽水泥砂漿膨脹的一半;所有曲線的共同點(diǎn)都是收縮或膨脹變形主要發(fā)生在前7 d。因此在具體施工時(shí)，建議在氯氧鎂改性混凝土中加入適當(dāng)?shù)牡V粉或者粉煤灰，對(duì)于其體積的穩(wěn)定性比較有利。通過(guò)抗凍性和抗?jié)B性的研究，得到氯氧鎂改性混凝土具有很好的抗?jié)B性能和抗凍性能。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證氯氧鎂改性混凝土現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，將其應(yīng)用在西南地區(qū)某道路工程之中，施工順序?yàn)槭┕?zhǔn)備、氯氧鎂改性水泥混凝土制備及運(yùn)輸、攤鋪、振搗、整平和切縫、拉毛和拆模及養(yǎng)護(hù)，后期運(yùn)行一段時(shí)間過(guò)后，需要對(duì)其強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)同一路段連續(xù)10 d進(jìn)行回彈儀獲取強(qiáng)度數(shù)據(jù)，最終結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，氯氧鎂改性水泥混凝土強(qiáng)度在3～4 d就能達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，且至第7 d，強(qiáng)度一直處于上升狀態(tài)，7 d后強(qiáng)度達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)，為設(shè)計(jì)值的130%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度。

通過(guò)對(duì)各種原材料等進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，輕燒粉成本高于普通硅酸鹽水泥，但是氯氧鎂的成本低于普通硅酸鹽水泥，如果僅從材料的角度出發(fā)，氯氧鎂改性混凝土每立方米的成本較普通硅酸鹽水泥混凝土的成本降低2%。但是輕燒粉目前主要來(lái)源是東北等較遠(yuǎn)的地區(qū)，其運(yùn)輸成本將大大增加，將運(yùn)輸費(fèi)考慮進(jìn)成本后，氯氧鎂改性混凝土每m3的成本較普通硅酸鹽水泥混凝土的成本升高了54%，綜合環(huán)境等相關(guān)因素，從性價(jià)比來(lái)說(shuō)，氯氧鎂改性混凝土的性價(jià)比為0.83，相對(duì)較低。建議擴(kuò)展西南地區(qū)的鹽湖地區(qū)的氧化鎂制備工藝方面的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

為了研究出適應(yīng)西南地區(qū)氣候的道路材料并有效地處理鹽湖地區(qū)含氯氧鎂的廢料，本文研究出了作為道路材料的氯氧鎂改性混凝土配合比，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥混凝土，通過(guò)加入抗水劑、粉煤灰等外加劑能顯著地提高其耐水性、耐磨性和收縮性。氯氧鎂改性混凝土綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥混凝土，但其運(yùn)輸?shù)瘸杀据^高，綜合性價(jià)比為0.83，實(shí)際工程中需考慮就地取材等因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]Yunsong， Ji1. A new type of light magnesium cement foamed material[J].Materials Letters. 2002，56（3）：353-356.

[2]胡浩宇，許 磊. 氯氧鎂水泥的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用發(fā)展[J]. 建材與裝飾，2016（28）：180-183.

[3]J. J. Beaudoin and V. S. Ramachandran. Strength development in magnesium oxychloride and other cements[J]. Cement and Concrete Research. 1975，5（6）：617-630.

[4]Deng， Dehua. The mechanism for soluble phosphates to improve the water resistance of magnesium oxychloride cement[J]. Cement and Concrete Research. 2003，33（9）：1 311-1 317.

[5]唐爾焯，崔可浩，崔 崇，等. 氯氧鎂水泥漿體水化相及其對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)影響初探[J]. 武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1988（1）：1-14，146-147.

[6]Xu， BW （Xu， Biwan）1;Ma， HY （Ma， Hongyan）1;Hu， CL （Hu， Chuanlin）1;Li， ZJ （Li， Zongjin）1. Influence of cenospheres on properties of magnesium oxychloride cement-based composites[J]. Materials and Structures.2016，49（4）：1 319-1 326.

[7]樊文熙，李毓瓊，申義青，等. 氯氧鎂水泥噴射混凝土研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，1995（3）：317-321.

[8]趙方冉，陳德鵬. 氯氧鎂水泥復(fù)合混凝土性能試驗(yàn)研究[J]. 房材與應(yīng)用，2006（1）：3-4，43.

[9]韓春雷，陳忠范.. 高鋁水泥改性氯氧鎂膠凝材料高溫下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 混凝土，2009（2）：90-93.

[10]姜 勇. 氯氧鎂混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)[J]. 黑龍江交通科技，2015，38（9）：42.

[11]肖學(xué)英，常成功，鄭衛(wèi)新，等. 氯氧鎂水泥混凝土路面力學(xué)性能研究[J]. 鹽湖研究，2016，24（3）：50-54.

收稿日期：2020-05-10