三峡临时船闸大体积补偿收缩混凝土的研究

 [摘　要] 　大体积混凝土产生的“冷缩”对最终的体积变化产生重要影响,因此补偿收缩措施与普通混凝土不同,利用低热微膨胀水泥与轻烧氧化镁的不同膨胀时效,产生双膨胀效应,通过试验得到有效补偿大体积混凝土收缩的混凝土制备工艺并成功用于实际工程,研究了轻烧氧化镁与两种普通膨胀剂对水化热和体积变化的影响规律。

[关键词] 　大体积混凝土; 　补偿收缩; 　水化热; 　膨胀剂; 　煅烧

[中图分类号] 　TU528101 　　[文献标识码] 　A 　　　[文章编号] 　1002 - 3550 (2005) 08 - 0020 - 03

0 　前言

　　三峡临时船闸按照空间位置依次分为1 # 、2 # 和3 # 段,其中1 # 和3 # 段先期浇筑,2 # 段后期浇筑,为简化甚至取消接缝灌浆,同时保证后浇的2 # 段与1 # 、3 # 段紧密结合,2 # 段拟采用微膨胀混凝土,根据结构和温度应力计算的膨胀量需达到150μm～200μm ,90天龄期应达到C20 强度等级, 抗冻标号为快冻法F150 ,抗渗标号W10 ,坍落度3cm～5cm。对于普通混凝土,造成体积变化的影响因素主要是干缩及化学减缩[1 ] ,而对于大坝这种典型的大体积混凝土,由于高水化热在降温过程中产生的“冷缩”对最终的体积变化产生重要影响[2 ] ,即体积变化特性与普通混凝土存在明显差异,因此采取补偿收缩的措施不同。在此施工背景下,本研究采用轻烧氧化镁与低热微膨胀水泥,通过试验得到满足要求的混凝土配合比并成功用于实际工程,并研究了轻烧氧化镁与两种普通膨胀剂对水化热和体积变化影响的规律。

1 　试验原材料及试验方法

1．1 　试验原材料

　　(1) 水泥: 湖北华新4215 普通水泥( HX4215 P·O) , 4215 低热微膨胀水泥( HX4215 L ) ; 陕西略阳4215 低热微膨胀水泥(L Y4215L) ;

　　(2) 粉煤灰:湖北阳逻Ⅰ级灰;

　　(3) 膨胀剂:分别采用江西HEA1 、武汉HEA2 以及辽宁海城轻烧氧化镁粉。各种原材料的组成及性能指标分别如表1 、2 、3 、4 。

　　表1 中,2 种水泥均满足GB2938 - 97 关于4215强度等级低热水泥的指标要求;表2 中,两种粉煤灰均满足GB1596 - 91 对Ⅰ级粉煤灰的品质要求;表3中,MgO 满足《水利水电工程轻烧氧化镁材料品质技术要求》(试行) ;表4 中,两种膨胀剂中除武汉产品的凝结时间较短外其他性能相近,并且所有指标均满足JC476 - 2001《混凝土膨胀剂》的品质要求

1．2 　试验方法

　　(1) 水化热试验参照GB2022 - 80 采用直接法并通过自研的”多通道自动水化热测定仪”进行,通过数据模块多通道、自动在线检测和记录水泥浆体水化放热温升变化。

　　(2) 体积胀缩试验参照JC313 - 82 测试自由膨胀率,试样分别在水中养护和联合养护(在水中养护3

图1 　FA 掺量对HX - L4215 水泥水化温升的影响图2

　　从图1 看出,随着FA 掺量的提高,水化温峰降低、温峰到达时间推迟,这是由于低活性矿物材料对水泥的稀释作用而降低了水化程度,减少了水化热;而从图2 看出,MgO 掺量在3 %时对水化热影响不大,当掺量提高到5 %时显著降低水化温峰,说明高MgO 掺量可能会延缓水泥的水化进程。

2．2 　体积变化

　　(1)MgO

　　分别采用HX 低热和普通水泥与FA、MgO 复合天后移入标养箱中养护) 。

2 　试验结果与分析

2．1 　水化热

　　采用HX4215 低热微膨胀水泥,并采用不同的粉煤灰和氧化镁掺量进行水化热试验,水胶比013 ,试验结果如表5 。

表5 　水化热试验结果及标准要求

　　从表5 可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,各龄期的水化热明显降低;在20 %FA 掺量下,使用MgO使水化热略有提高,且在3d 以前3 %的掺量比5 %掺量的水化热高,但3d 以后至7d 的两种水化热基本一致。

　　FA 掺量变化对HX - L4215 水泥水化温升影响的试验结果如图1 。

图2 　MgO 掺量对水泥+ 20 %FA 水化温升的影响

　　成型215cm ×215cm ×28cm 试样进行净浆体积变化试验,测试结果如图3 、图4 ,图中表示了水泥与FA、MgO 的配合比例。

图3 　HX - L4215 水泥的膨胀- 时间(对数) 曲线

　　从图3 看出, 在低热水泥复合MgO 后, 随着MgO 掺量从3 %、4 %提高到5 % ,不同龄期的膨胀量显著提高;在水泥+ 15 %FA 条件下,膨胀量随MgO掺量从3 %提高到5 %的变化亦显著提高,表现出MgO 明显的膨胀特性。从图4 看出,在普通水泥及普通水泥+ 30 %FA 中内掺MgO 的膨胀规律与低热水泥相近,只是膨胀绝对量较低热水泥低。这说明低热微膨胀水泥的膨胀组分与MgO 发生了共同膨胀作用。

(2) 膨胀剂

　　分别采用华新和略阳低热水泥,内掺15 %FA 和12 %的两种膨胀剂以及5 %MgO 成型10cm ×10cm ×514cm 进行混凝土体积变化试验,测试结果如图5 。

图5 　不同膨胀剂对体积变化的影响

　　从图5 中看出,在采用HX 低热水泥时,HEA1 在3d 的早期膨胀值比HEA2 高,从5d 以后的膨胀性与HEA2 一致,说明两种膨胀剂的膨胀规律不同,HEA1早期的膨胀性比HEA2 强;略阳水泥与HEA1 复合时则表现出从3d 到5d 时膨胀量的显著提高,而到后期,即从30d 以后,膨胀量开始下降,这说明略阳水泥中的膨胀组分主要在早期产生作用; HX 水泥复合5 %MgO 的膨胀量最小,随时间的增加而缓慢增加,说明MgO 的膨胀性比两种膨胀剂平缓。

3 　机理分析与实际应用

　　在设计和配制大体积补偿收缩混凝土时常采用微膨胀水泥或膨胀剂[3～6 ] ,其中的膨胀源按照特性一般可分为石膏型(钙矾石型) 、氧化钙型、镁氧型、铁氯型等,其中铁氯型因引入Cl - 而受到限制。主要通过硫铝酸盐、CaO、游离CaO、MgO 等膨胀源在水泥水化过程中与水或水泥的水化产物反应生成钙矾石AFt 、羟钙石Ca (OH) 2 和水镁石Mg (OH) 2 等膨胀性物质[7 ] 。按照时间顺序,依次发生钙矾石、羟钙石和水镁石膨胀。

　　目前市场上销售的微膨胀水泥和膨胀剂,其膨胀源主要属于钙矾石型。因为钙矾石型膨胀主要发生在3d～14d 左右龄期内,在此期间产生的混凝土收缩占20 年全部收缩的40 %[8 ] ,因此该类膨胀源对解决一般水泥混凝土结构的补偿收缩或产生自应力是有效的。大体积混凝土的水化热在浇注后迅速升高,一般3d～7d 达到最高值,最高值可能达到90 ℃以上[9 ] ,其后逐步降低到室温,降温过程可以持续2 个月,工程中为了降低内外温差应力裂缝,通常在利用循环冷却水管道、拌和水加冰等方法降低内部温度的同时对外部保温,于是整体结构的降温过程更长。由于温差大、降温时间长,其间产生的“冷缩”一方面对体积变化的影响增大,另一方面则滞后于一般膨胀剂的有效膨胀期。MgO 产生的水镁石膨胀一般在2～6 个月才表现出来,并可以持续2 年甚至更长[10～11 ] ,因此可以有效地补偿大体积混凝土的“冷缩”以及水泥水化后期剩余的收缩。

　　根据上述试验结果提出了三峡临时船闸大体积补偿收缩混凝土的参考配比设计,实际工程采用华新4215 低热微膨胀水泥+ MgO 的双膨胀技术路线,膨胀量、强度、抗冻及抗渗标号等各项指标满足设计要求,工程运行状况良好。

4 　结论

　　(1) 水化热试验表明,在低热微膨胀水泥基础上复合3 %～5 %的MgO 膨胀剂对水化热影响不大,MgO 使7d 以内的水化热降低10kJ / kg 左右。

　　(2) 水泥净浆试验表明,低热微膨胀水泥+ MgO的膨胀量比普通水泥+ MgO 的膨胀量显著提高;两种体系以及水泥+ 粉煤灰+ MgO 的体系中, 随着MgO 的加入并从3 %掺量提高到5 %掺量的膨胀量逐步增加;粉煤灰的加入降低了膨胀量。

　　(3) 混凝土试验表明,两种膨胀剂与华新低热微膨胀水泥复合后的膨胀规律相近,江西膨胀剂的膨胀量比武汉膨胀剂略高;两种低热水泥与武汉膨胀剂复合的膨胀规律不同,略阳水泥早期的膨胀量较高,后期有下降趋势,华新水泥则随着时间持续增加。低热微膨胀水泥+ MgO 明显比低热微膨胀水泥+ 膨胀剂的膨胀量低。

　　(4) 采用低热微膨胀水泥+ MgO 的技术路线能够产生双重膨胀效应,有利于防治大体积混凝土一般的化学收缩和较严重的“冷缩”,实际应用状况良好。

[参考文献]

　　[1]袁润章. 胶凝材料学[M] . 武汉,武汉理工大学出版社,1996. 10 :168.

　　[2]高培伟,吴胜兴,林萍华等. 水泥基材料体积稳定性对大坝混凝土开裂的影响[J ] . 水利发电,2005 (3) :33 - 35.

　　[3]陈益民. 大体积混凝土补偿收缩研究新趋势—MgO 膨胀源[J ] . 中国建材科技,1995 (10) :14 - 15.

　　[4]邓净. 硅粉微膨胀混凝土在渔洞水库溢流建筑中的应用[J ] . 云南水力发电,1997 (1) :45 - 48.

　　[5]王红旗,方新江,刘晓峰,张锦勇. 外掺MgO 混凝土拱坝应力分析[J ] . 中国农村水利水电,1999 (8) :25 - 28.

　　[6]张子明,张研,宋智通. 水化热引起的大体积混凝土墙温度分析[J ] . 河海大学学报(自然科学版) ,2002 (7) :22 - 28.

　　[7]朱洪波,马保国. 利用多种工业废渣制备水泥混凝土膨胀剂[J ] . 新型建筑材料,2005 (1) :19 - 20.

　　[8]重庆建筑过程学院和南京工学院. 混凝土学. 北京,中国建筑工业出版社,1985. 7 :60.

　　[9]马保国,张平均,许婵娟,等. 微矿粉在大体积混凝土中水化热及抗裂分析[J ] . 武汉理工大学学报. 2003 , (11) :18 - 22.

　　[10]李承木. MgO 混凝土自生体积变形的长期研究成果[J ] . 水利发电,1998 , (6) :53 - 57.

　　[11]姚晓,唐明述. 镁氧类水泥膨胀剂的作用机理及影响因素[J ] . 油田化学,1997 , (12) :372 - 376.

[作者简介] 　胡利民,1962 年生,在读博士,湖北华新水泥股份有限公司质量总监。

[单位地址] 　武汉理工大学硅酸盐工程教育部重点实验室501 室(430070)

[联系电话] 　027 - 87640064 ,61340461 ; E - mail : zhuhong1965 @163.com