膨脹劑對(duì)水泥基灌漿材料性能的影響

馬夢(mèng)娜,安亞強(qiáng),武 強(qiáng),張 偉

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000; 2.浙江華東工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310000)

0 引言

水泥灌漿材料的特殊性能令其具有廣闊的應(yīng)用前景,注漿材料的性能受水灰比、砂級(jí)配、水泥等多種因素的影響,需在灌漿材料中使用具有高早期強(qiáng)度及高膨脹特性的水泥[1]。水泥基灌漿材料具有卓越的機(jī)械性能及耐久性[2],但膨脹性能較弱,故需對(duì)膨脹劑進(jìn)行深入研究。

典型的膨脹劑包括硫鋁酸鈣(CSA)、氧化鈣(CaO)及氧化鎂(MgO)。其中,MgO是一種優(yōu)秀的材料,因其良好的膨脹性能而備受關(guān)注[3]。以MgO膨脹劑為例,其表現(xiàn)良好的原因是具有水化機(jī)理。水化過(guò)程如下:

MgO+H2O?Mg(OH)2

(1)

其中,MgO、H2O及Mg(OH)2的摩爾體積分別為11.26、18.01、24.71,如果反應(yīng)繼續(xù)完成,則總體積減少15.6%,故除了摩爾膨脹之外,一定存在其他導(dǎo)致膨脹的原因。

氧化鎂水化產(chǎn)物水鎂石具有良好的熱穩(wěn)定性及相對(duì)可控的成型速度,是一種安全的膨脹劑。MgO的水化活性很容易通過(guò)煅燒條件(如溫度和時(shí)間)來(lái)控制。在1450 ℃下與波特蘭水泥熟料一起燃燒,方長(zhǎng)石水化極其緩慢,通常用于補(bǔ)償大體積大壩混凝土的熱收縮。一個(gè)有效的擴(kuò)張時(shí)間可能是一年或更長(zhǎng),輕度燃燒的MgO可通過(guò)900 ℃～1300 ℃的煅燒過(guò)程獲得。輕燒MgO煅燒溫度低,晶體尺寸小,晶格畸變大,水化活性高,膨脹快。與其他膨脹劑一樣,具有較高水化活性的MgO可用于普通混凝土中,以補(bǔ)償其在水化初期的收縮,因此,MgO的利用可以擴(kuò)展到水壩以外的普通建筑中。MgO膨脹劑可通過(guò)工業(yè)副產(chǎn)品生產(chǎn),從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看是環(huán)保的。MgO溶解在孔溶液中,增加孔溶液中的Mg2+和OH-濃度,當(dāng)離子濃度達(dá)到足以使水鎂石成核的程度時(shí),在MgO顆粒附近的溶液中形成大量水鎂石核。小晶體比大晶體具有更大的溶解度,故一些水鎂石核隨后再結(jié)晶成大晶體。細(xì)晶與大晶在孔隙溶液中混合時(shí),晶體溶解度可用下式表示:

(2)

當(dāng)水鎂石晶體的生長(zhǎng)受到水泥基體的抑制時(shí),基體承受晶體生長(zhǎng)壓力表示為:

(3)

式中,VM為晶體的摩爾體積,為過(guò)飽和溶液的平均活度,a0為飽和溶液的平均活度。膠凝體系中Mg2+的濃度較低,因此平均活度as可用濃度cs代替。晶體生長(zhǎng)壓力是MgO膨脹劑膨脹的驅(qū)動(dòng)力。但大多數(shù)研究主要關(guān)注生長(zhǎng)在氧化鎂顆粒表面的水鎂石。實(shí)際上,在水泥漿體與MgO顆粒之間觀察到的水鎂石通常是致密的,很少有晶體,說(shuō)明這部分水鎂石不是導(dǎo)致膨脹的主要原因。

1 不同類型膨脹劑對(duì)水泥基灌漿材料性能的影響

1.1 氧化鈣型(CaO)膨脹劑可提高水泥基灌漿材料的抗壓強(qiáng)度

膨脹劑可用于生產(chǎn)收縮補(bǔ)償水泥基灌漿材料,達(dá)到從初始膨脹到適當(dāng)抑制再到抵消收縮引起的應(yīng)變。與硫鋁酸鹽與氧化鎂型膨脹劑相比,氧化鈣型膨脹劑具有膨脹速率快、膨脹能高、需水量少等優(yōu)點(diǎn)。其在齡期早期迅速水化,摻加氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體除了會(huì)產(chǎn)生變形外,還會(huì)影響其早期力學(xué)性能。Hua等[4]研究了不同氧化鈣型膨脹劑摻量對(duì)含60%礦渣水泥漿體早期抗壓強(qiáng)度及前72 h變形的影響。如圖1所示,摻量為2%的氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體除具有較好的收縮補(bǔ)償作用外,其早期抗壓強(qiáng)度始終大于對(duì)照,在72 h時(shí)提高了9.2%。當(dāng)氧化鈣型膨脹劑摻量分別增加到4%、6%、8%時(shí),其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率呈現(xiàn)先增大后逐漸減小再增大的趨勢(shì)。其72 h抗壓強(qiáng)度分別降低40.0%、53.3%、66.5%。抗壓強(qiáng)度的提高主要是由于氧化鈣型膨脹劑水化產(chǎn)生的氫氧化鈣增多,加速了氧化鈣型膨脹劑的水化,生成了更多的凝膠,令氧化鈣型膨脹劑的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。抗壓強(qiáng)度發(fā)展的減緩是由于高劑量氧化鈣型膨脹劑的快速水化產(chǎn)生高膨脹應(yīng)力而造成內(nèi)部損傷。

圖1 不同氧化鈣型膨脹劑摻量水泥漿體抗壓強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength of cement slurry with different amounts of calcium oxide expander

膨脹劑在水化過(guò)程中的抑制體積膨脹常用于抵消水泥基材料收縮引起的應(yīng)變。有研究討論了實(shí)驗(yàn)室制備的氧化鈣型膨脹劑在煤層氣中的水化膨脹過(guò)程及其模型。采用等溫量熱法與熱重/差熱分析方法,研究了氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中的水化行為,在此基礎(chǔ)上分析了氧化鈣型膨脹劑的水化動(dòng)力學(xué),計(jì)算了氧化鈣型膨脹劑的表觀水化活化能。基于水化程度建立了氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中膨脹的化學(xué)-力學(xué)模型,該模型可對(duì)含氧化鈣型膨脹劑的水泥漿體膨脹性能及抗裂性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖2顯示了變溫度歷史及在此溫度歷史下水泥漿體中4%氧化鈣型膨脹劑引起的膨脹模擬結(jié)果。如圖2(b)所示,前期模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,最大膨脹應(yīng)力約為6 Mpa,但隨著膨脹劑趨于完全水化,模擬應(yīng)力趨于恒定,實(shí)驗(yàn)應(yīng)力則呈下降趨勢(shì),無(wú)法用簡(jiǎn)化的化學(xué)-力學(xué)模型來(lái)模擬。

圖2 變溫度條件下氧化鈣型膨脹劑在水泥漿體中膨脹的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of simulation and experiment results of the expansion of calcium oxide expander in cement slurry at different temperature

1.2 硫鋁酸鹽型膨脹劑可減少水泥材料收縮量

混凝土早期潛在的收縮開裂不僅受收縮速率及收縮潛力的影響,還受強(qiáng)度發(fā)展、應(yīng)力松弛特性及約束程度的影響。由于摻和料細(xì)度高,水膠比低,材料的收縮應(yīng)變強(qiáng)度在早期出現(xiàn)了非常急劇的增加。因其優(yōu)異的機(jī)械性能及薄板型結(jié)構(gòu),更快的收縮率與更小的截面積大大降低了復(fù)合材料抗早期收縮裂紋的能力。為了降低收縮開裂的可能性,YOO等[5]研究了一種基于硫鋁酸鈣的膨脹劑對(duì)直、扭鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土拉伸性能的影響?？紤]了5種不同的硫鋁酸鹽型膨脹劑值,范圍從0%～8%。在膠凝基質(zhì)中添加硫鋁酸鹽型膨脹劑的主要目的是減少收縮量,故評(píng)估了其對(duì)直、扭鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土自由收縮響應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明,與普通直、扭鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土相比,添加6%和8%的硫鋁酸鈣膨脹劑,直、扭鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土基體的收縮應(yīng)變分別減小了約7%、10%。除了直纖維試件的抗拉強(qiáng)度外,加入硫鋁酸鈣膨脹劑并增加添加量后,直纖維與扭曲鋼纖維試件的抗拉強(qiáng)度、應(yīng)變能力及g值等大部分抗拉參數(shù)都有所惡化。

1.3 氧化鎂基(MgO)膨脹劑可令水泥基材料具有自愈能力

硫鋁酸鹽型與氧化鈣型膨脹劑是制備收縮補(bǔ)償混凝土應(yīng)用最廣泛的膨脹劑,但熱穩(wěn)定性差、水化速度不可控等缺點(diǎn)限制了其使用。氧化鎂膨脹劑是一種新興的極具發(fā)展前景的膨脹劑,由菱鎂礦煅燒而成,其反應(yīng)性容易受煅燒條件(如窯溫和停留時(shí)間)的控制。Sherir等[6]研究了以氧化鎂為膨脹自愈劑制備工程膠凝復(fù)合材料(ECCs)的性能。ECCs在極限荷載作用下仍能保持小于60 mm的小裂紋寬度,從而促進(jìn)裂紋自愈,改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能。采用不同的試驗(yàn)方案,

通過(guò)研究預(yù)加載多重?fù)p傷(破裂)立方體及柱形試件在長(zhǎng)期水養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度(抗壓和彎曲)及超聲脈沖速度的發(fā)展與恢復(fù),量化提出的ECC-MgO體系(以5% MgO膨脹劑作為粉煤灰替代ECC基體)的長(zhǎng)期自愈能力。從圖3可以看出,50%和80%預(yù)裂ECC-MgO試件無(wú)論是水固化還是自然固化,其抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)與ECC試件幾乎相似。兩者之間的相似性是,50%和80%水固化預(yù)裂ECC-MgO立方體試件在240 d后恢復(fù)到對(duì)照組的強(qiáng)度,而兩種水平的自然固化預(yù)裂ECC-MgO試件在60 d后開始恢復(fù)強(qiáng)度。在相同養(yǎng)護(hù)條件下,水固化與自然固化的80%預(yù)裂ECC-MgO立方體試件在300 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別比50%預(yù)裂試件提高3.7%和8.5%。這可以歸因于在80%預(yù)裂ECC-MgO試樣中存在更多裂縫的情況下通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間養(yǎng)護(hù)獲得了足夠的水分。預(yù)加載開裂的ECC-MgO試件通過(guò)微裂紋的修復(fù),有較高的恢復(fù)原狀(未開裂)試件原始力學(xué)性能的傾向,從而證實(shí)了所提出的ECC-MgO系統(tǒng)的自愈能力。

圖3 混合料抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化的自愈特性評(píng)價(jià)Fig.3 Evaluation of self-healing properties of compressive strength of mixture with time

2 結(jié)束語(yǔ)

收縮是水泥材料的化學(xué)與物理變化過(guò)程,這些變化會(huì)導(dǎo)致體積的變化,引發(fā)開裂、變形、強(qiáng)度下降等問(wèn)題。水泥基灌漿材料結(jié)構(gòu)在早期會(huì)出現(xiàn)裂縫及孔隙,這將降低水泥混凝土的耐久性。外力作用、巨大的水化熱或其他腐蝕作用會(huì)導(dǎo)致水泥混凝土出現(xiàn)裂縫,降低水泥基灌漿材料的機(jī)械強(qiáng)度及耐久性。在實(shí)際工程中,當(dāng)水泥基灌漿材料處于養(yǎng)護(hù)初期時(shí),需添加膨脹劑補(bǔ)償收縮來(lái)抑制開裂。硫鋁酸鹽型、氧化鎂型膨脹劑及氧化鈣型膨脹劑是應(yīng)用最廣泛的膨脹劑,在水化過(guò)程中抑制體積膨脹來(lái)抵消水泥基材料收縮引起的應(yīng)變。需對(duì)不同類型的膨脹劑進(jìn)行深入研究,以提高水泥基灌漿材料結(jié)構(gòu)的延展性及耐久性。