李曉勇，李萬軍，李承木

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院科研所，四川成都 610072;2.四川省水利水電勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

大量研究與實踐表明，壓蒸試驗是檢驗外摻MgO混凝土體積安定性的唯一方法［1－2］。外摻MgO的安定性不僅是一項質(zhì)量技術(shù)指標，而且也是必須滿足的工程使用條件。所以全面研究外摻MgO混凝土體積的安定性就一直是工程界十分關(guān)注的問題，尤其是要知道有哪些主要因素影響壓蒸膨脹率的試驗結(jié)果，其變化規(guī)律和影響程度如何，這些都是要經(jīng)過大量基礎研究才能回答的問題。對于這方面的系統(tǒng)研究迄今尚未見報道。故此，廣東省水利廳(2000－21)科研課題，對外摻MgO水泥砂漿和混凝土試體壓蒸膨脹率的諸多(18種)影響因素進行了較全面系統(tǒng)地研究，取得豐碩成果，并已將部分成果陸續(xù)發(fā)表［3～8］。再匯集本文研究結(jié)果，可全面把握各種影響因素的基本屬性。

2 試驗條件和方法

2.1 原材料

(1)水泥:云浮金鷹牌42.5PⅡ硅酸鹽水泥;

(2)粉煤灰:黃埔熱電廠產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰;

(3)外加劑:浙江龍游外加劑廠產(chǎn)的ZB－1A高效減水劑;

(4)MgO膨脹劑:海城東方滑鎂公司生產(chǎn)的粉狀MgO，(相關(guān)物化指標見表1);

(5)粗細集料:長沙花崗巖加工的一級配小石子，細料為天然河砂和標準砂兩種。

2.2 配合比

(1)水泥砂漿:標準砂的水灰比(W∕C)為0.50、灰砂比(C∕ S)為1∶3，工程砂的 W ∕ C=0.49、C∕ S=1∶2.76，摻粉煤灰30%，分摻與不摻外加劑等;

(2)一級配混凝土配合比:標準砂及工程砂的膠材為309kg∕m3，砂率40%，摻粉煤灰30%，ZB－1A摻0.6%，水灰比及灰砂比與砂漿配比相同。

2.3 試驗條件與方法

(1)試件尺寸:砂漿試件 30mm×30mm×280mm，一級配混凝土試件 55mm×55mm×280mm;

(2)基礎試驗用新標準砂，采用干篩法制作試件，并用預熱法養(yǎng)護;

(3)試驗方法:執(zhí)行SD105－82《水工混凝土試驗規(guī)程》規(guī)定，壓蒸參照GB∕T750－92《水泥壓蒸安定性試驗方法》進行。

3 對影響壓蒸膨脹率的若干因素的試驗研究

3.1 MgO膨脹劑的活性與細度對壓蒸膨脹率P的影響

按試驗條件和原材料，用標準砂和長沙工程砂分別制作砂漿和混凝土試體，研究不同活性和細度的A樣及B樣兩種MgO材料的膨脹性能，同時比較將A、B兩個樣分別篩分后制成細度均為300目的Ac及Bc樣，在相同試驗條件下它們的壓蒸試驗結(jié)果見表2。

表1 氧化鎂膨脹材料的化學成分及相關(guān)物化指標 %

表2 氧化鎂材料的活性與細度對壓蒸膨脹率的影響

從表2結(jié)果可知，在相同養(yǎng)護與試驗條件下，外摻MgO水泥砂漿和混凝土試體的壓蒸膨脹率都是活性指標高的(B樣)大于活性指標低的(A樣)。大量研究表明，活性指標大小是反映方鎂石煅燒溫度高低的標志性指標，其實質(zhì)是反映方鎂石活性高低和水化快慢的綜合性質(zhì)量總指標(方鎂石的活性與其活性指標的關(guān)系是成反比的)，是質(zhì)量評定標準之－?？梢姳碇蠦樣的煅燒溫度是高于A樣的，所以B樣的活性指標大，它的壓蒸膨脹率也大，反之則小，符合－般規(guī)律。據(jù)文獻［9］對煅燒溫度和活性指標不同的D、E兩個方鎂石試樣的研究結(jié)果表明，煅燒溫度高的E樣的活性指標大，摻有3%E樣的水泥凈漿試體的壓蒸膨脹率也大(即E樣的P為0.274%、D樣的P為0.236%)，然而它早期的水化較慢，因此水泥凈漿試體早期的膨脹變形率也就比摻煅燒溫度低的D樣小(即E樣30d的膨脹率為0.152%、D樣為0.181%)，全過程的膨脹變形率也比D樣小。另據(jù)文獻［10］的研究結(jié)果也可得出相同的規(guī)律(見表3)。

從表2中Ac、Bc兩個試樣的試驗結(jié)果看出，方鎂石的細度對壓蒸膨脹率的影響是很大的。如在相同試驗條件下，摻8%A樣的P為0.484%，而Ac樣的P為0.109%，前者為后者的4.44倍;對于相同細度時的結(jié)果，是Bc樣的P大于Ac樣的。大量研究表明，方鎂石的顆粒細度與晶體尺寸對壓蒸膨脹率和膨脹變形率的影響也是很大的。方鎂石的顆粒越細，它摻入水泥凈漿、砂漿和混凝土試體的壓蒸膨脹率就越小;同樣各試體的膨脹變形率也小，并會使膨脹變形過程較早地結(jié)束。這就說明MgO膨脹材料的細度不宜過細，一般方鎂石的細度以250～180目為宜。另外研究［11］表明，方鎂石晶體尺寸的大小直接影響各種試體的壓蒸膨脹率和膨脹變形率的大小。煅燒過程中的保溫時間和試體養(yǎng)護時間的長短又直接影響到方鎂石結(jié)晶體尺寸的大小。這些基本規(guī)律在生產(chǎn)實踐中是值得注意的。

3.2 干濕篩法成型對不同級配混凝土壓蒸膨脹率的影響

試驗條件:

(1)試件尺寸:Ⅱ級配混凝土:100mm×100mm×250mm，Ⅲ級配混凝土:φ244mm ×280mm;

(2)干篩法:該法試驗成型的振搗時間一般以25～30s為宜。

表3 氧化鎂的煅燒溫度與活性指標及膨脹性能的關(guān)系

現(xiàn)將干濕篩法成型的摻不同MgO混凝土試體的壓蒸試驗結(jié)果列入表4。

表4中所謂濕篩法成型，即是將外摻5﹪MgO的Ⅲ級配混凝土C3拌和物濕篩成Ⅱ級配C2、Ⅰ級配C1和砂漿S之后才成型的各級配試件。從試驗結(jié)果可知，采用濕篩法成型的各級配的P是依次減小的，即Ⅲ級、Ⅱ級、Ⅰ級和砂漿試體的P分別為0.214%、0.175%、0.158%和0.129%。這表明Ⅲ級配混凝土的P最大，濕篩Ⅱ級和Ⅰ級配的次之，砂漿的最小。它們的排序關(guān)系，即是PC3＞PC2＞PC1＞PS。這是因為用濕篩法成型各級配混凝土試體時，依次篩除了大于各級配混凝土中不同粒徑的石子，石子粘走了一部分MgO水泥砂漿體，級配越小粘走得越多，致使混凝土級配發(fā)生了變化。若比較濕篩法篩分后各級配試體中的灰砂比和砂率，Ⅱ級配混凝土的灰砂比最大、砂率最小，Ⅰ級配的灰砂比和砂率次之，砂漿的灰砂比最小、砂率卻最大。盡管濕篩砂漿試體中的砂漿含量都比Ⅰ級和Ⅱ級配混凝土的大，但因灰砂比最小，所以MgO(即MgO水泥漿體)的總的含量減少，因而砂漿試體的壓蒸膨脹率為最小。這說明濕篩法不適合于用來成型壓蒸試體。

表4 干濕篩法成型對不同級配混凝土壓蒸膨脹率的影響

將干篩法與濕篩法比較，其優(yōu)點在于不改變各級配混凝土的材料組成配合比，即膠材用量、砂率、灰砂比、MgO摻量的實際用量都不會在成型過程中發(fā)生變化。表4列出了干篩法各級配在正常膠材用量條件下的試驗結(jié)果，即根據(jù)Ⅲ級配混凝土的材材組成來模擬Ⅱ級和Ⅰ級配的材材用量(各級配的單位膠材和砂率見表中數(shù)據(jù))、外摻MgO為6%的試驗結(jié)果。從表中結(jié)果可知，各級配的P是隨混凝土的膠材用量減少和砂率的減小而減小。因為在常規(guī)級配變化條件下，各種級配的膠材用量、砂率、MgO膨脹源的結(jié)構(gòu)組成差別較大，級配越小膠材用量越多，當MgO摻率相同時，MgO的絕對含量就越高，況且這些都是影響壓蒸膨脹率的主要因素，所以各級配混凝土試體P的大小順序是:PS＞PC1＞PC2＞PC3。這與濕篩法的結(jié)果恰好相反。這也表明，目前在工程實踐中，用工程材料并采用干篩法成型Ⅰ級配混凝土試體的壓蒸試驗結(jié)果來評價安定性的方法是偏于安全的，該方法合理，符合工程實際。

3.3 不同試驗養(yǎng)護條件對壓蒸膨脹率的影響

粗、細集料的質(zhì)量與試驗條件對壓蒸膨脹率的影響的各項試驗結(jié)果列于表5中。

從成果表5可知，表中兩組砂漿試體經(jīng)沸煮結(jié)束后分別置于冷水(指常溫20℃)和熱水(所謂熱水是指試件經(jīng)過沸煮3h結(jié)束(斷電)后，試件仍留在沸煮水箱熱水中養(yǎng)護－簡稱預熱處理法)中養(yǎng)護，約養(yǎng)護1d后(余溫約50℃)至第2d取出做壓蒸試驗。從兩種養(yǎng)護條件的多組對比試驗結(jié)果看，在高溫熱水養(yǎng)護下能提高試體的強度、降低壓蒸膨脹率，即拉壓強度比常溫20℃的分別平均提高了37.5%和38.4﹪。試體強度對壓蒸膨脹率的影響較大，如外摻MgO為6% ～8.5%時，其P的降低范圍在41.4% ～74.4%之間，平均下降了65.8%。試驗結(jié)果表明，高溫熱水養(yǎng)護能加速水泥的水化作用，提高水泥砂漿基體的強度(一般可提高30% ～40%)，可大大增強壓蒸試體約束及抵御膨脹的能力，因而較大地降低了壓蒸膨脹率(至少可降低40% ～50%)。這種預熱處理方法既符合水泥水化反應的實際變化過程［2］，又是提高外摻MgO混凝土試體強度的最關(guān)鍵的有效措施，值得推廣?？梢哉J為，這是對壓蒸試驗方法的重大改進與提高，也更符合工程實際。

表5 粗、細集料質(zhì)量與試驗條件對壓蒸試驗結(jié)果的影響

3.4 砂的種類與不同細度模數(shù)對壓蒸膨脹率的影響

從表5可見，在相同試驗條件下，不同種類砂和不同F(xiàn)M的外摻MgO水泥砂漿試體的P是不相同的，在5種砂中新標砂試體的強度高，壓蒸膨脹率小。所反映P的大小順序是:壩美砂＞長沙砂＞天然河砂＞舊標準砂＞新標準砂。若將相同細度模數(shù)(FM=2.3)的比較，也是新標準砂的比天然河砂的P值小。壩美河砂(灰?guī)r)3個不同F(xiàn)M的MgO水泥砂漿試體的P隨著FM的增大而增大，但它們經(jīng)壓蒸后的強度卻相差不大。這說明砂的品質(zhì)與細度模數(shù)對P的影響較大。當砂的FM小時，小于孔徑0.16mm以下的細粉含量多，而比表面積就大，在相同MgO摻量時，MgO在細砂中比在粗砂中更為分散，減弱了MgO的膨脹作用，故P就小;反之，粗砂漿試體的強度雖然稍高，但P卻較大，這是因為在粗砂顆粒間聚集較多MgO水泥漿體和液相堿度提高所致結(jié)果。

3.5 不同粉煤灰摻量對壓蒸膨脹率的影響

材料的不同配比組成對壓蒸膨脹率的影響的各項試驗結(jié)果匯總于表6中。

從表6可以看出，在相同試驗條件下，摻MgO為8%、粉煤灰F摻量變化于20% ～60%的6組水泥砂漿試體的P是隨著F摻量的增加而減小的，即P從0.512%～0.212%，試體壓蒸后的抗壓強度則依次增大(40.0～58.5MPa)。當F摻量由20% ～35%時，P分別為0.512%、0.484%、0.481%，3組相差很小;當F摻量由40% ～60%時，P則迅速降至0.224%、0.216%、0.212%，3組相差更小。試驗結(jié)果表明，在這兩個粉煤灰摻量范圍內(nèi)，壓蒸膨脹率的變化是不大的。因此，可以認為，當F的摻量在一定區(qū)間范圍內(nèi)，P變化很小，當其超過某一摻量(如35%)時，壓蒸膨脹率會發(fā)生較大的突降現(xiàn)象，再繼續(xù)增加F摻量時，相應P的變化又會比較小。這說明外摻MgO水泥砂漿試體的壓蒸膨脹率與粉煤灰摻量35% ～40%之間的相應關(guān)系，有一個近似于階梯形的突降變化。此規(guī)律在做沙牌、銅頭和長沙工程大壩混凝土的自生體積變形試驗時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。當粉煤灰摻量在35%以內(nèi)時;其自生體積膨脹變形稍有增大趨勢;當粉煤灰摻量達到40%以及其后繼續(xù)增加粉煤灰摻量時才對自生體積膨脹變形有減小的影響。該規(guī)律通過壓蒸試驗得到了更進一步的驗證。因此，工程界在研究或考慮粉煤灰摻量時應注意這一規(guī)律所產(chǎn)生的影響。

3.6 不同水灰比對壓蒸膨脹率的影響

從表6可以看出，在灰砂比固定為1∶3的相同試驗條件下，摻MgO為7%、水灰比變化于0.45～0.65的5組水泥砂漿試體的P是隨著水灰比的增大而增大(0.104% ～0.144%)，試體壓蒸后的抗壓強度卻是依次降低的，可見對應規(guī)律理想。水灰比與強度的關(guān)糸，通常是水灰比大的抗壓強度低。當水灰比由0.45增至 0.65時，試體強度則從59.6MPa降至33.0MPa，強度降低了44.6%;而 P由0.104%增至0.144%，則增大了38.5%。試驗結(jié)果表明，砂漿壓蒸試體在相同灰砂比時，水灰比的變化對其壓蒸膨脹率的影響不大;當水灰比較小時，試體強度高，壓蒸膨脹率小;如果是相同水灰比時，灰砂比對壓蒸膨脹率的影響卻很大，因為灰砂比值越大(即膨脹源的總量多)，壓蒸膨脹率也越大。

表6 材料的不同配比組成對壓蒸試驗結(jié)果的影響

3.7 不同灰砂比對壓蒸膨脹率的影響

從表6可見，在相同試驗條件下，摻MgO 7%、灰砂比變化于0.286～0.500的4組水泥砂漿試體的P隨灰砂比的增大而增大(0.098% ～2.126%)，試體壓蒸后的拉壓強度均隨灰砂比的減小而增大。當灰砂比為0.50時的P為2.126%，其拉壓強度分別為2.55MPa和24.0MPa;當灰砂比為0.286時的P為 0.098%，拉壓強度則分別為 6.36MPa和49.5MPa。若將兩個灰砂比的結(jié)果進行比較，前者的P是后者的21.7倍，后者的拉壓強度則分別為前者的2.49倍和2.06倍。這說明外摻MgO水泥砂漿試體中的灰砂比是影響壓蒸膨脹率的重要因素，P值的變化很大。同時表明，單位體積中MgO的總含量高，其壓蒸膨脹率大，而力學強度則低。另外，灰砂比大，反映單位體積中的膠材總量多，即MgO水泥漿體多而相對堿度也高(堿能促進膨脹［8］)，所以其壓蒸膨脹率也就大。

3.8 不同含砂率對壓蒸膨脹率的影響

從表6可知，試驗全部采用長沙工程材料、外摻MgO為6%、膠材為309kg/m3、砂率變化于100%～35%的5組一級配混疑土的壓蒸膨脹率隨砂率的增大而增大。如砂率為(25%)35%、45%和75%時，相對應的混凝土的壓蒸膨脹率則分別為(0.108%)0.112%、0.116%和0.174%。結(jié)果說明，砂率對壓蒸膨脹率有一定影響。在正常混凝土級配變化范圍內(nèi)，砂率對壓蒸膨脹率的影響不顯著，當砂率過大時其影響可能會大些。

3.9 不同含石率對壓蒸膨脹率的影響

從表6可知，試驗采用長沙材料，外摻 MgO 6%、膠材用量為309kg∕m3、含石率變化于25% ～70%，在成型時以Sr與Gr之和為100%來控制試體的變化。當Gr增大時Sr就減小，單位膠材用量固定不變，灰砂比增大，所以試體的壓蒸膨脹率會增大。從該結(jié)果可以看出，當含石率 Gr為25%、40%、55%、70%時，相應的灰砂比為0.217、0.271、0.362、0.541，對應混凝土試體的壓蒸膨脹率分別為0.088%、0.091%、0.116%、0.392%。壓蒸后試體的抗拉強度依次為(6.18、5.70、5.03、4.21)MPa。這里所反映的規(guī)律和對應關(guān)系是很理想的。雖然石料增多，砂用量減少，因為灰砂比增大較多，所以混凝土試體的壓蒸膨脹率也增大較多。這再次說明了，灰砂比確實是壓蒸試驗中最重要的影響因素。

4 結(jié)束語

通過對用標準砂和長沙工程砂制作的外摻MgO水泥砂漿和混凝土試體的壓蒸安定性試驗，研究了膠凝材料與膨脹劑摻合料、不同配合比的材料組成、成型工藝與預熱處理、粗細集料的質(zhì)量與不同試驗條件等對壓蒸膨脹率的影響;闡明了各種影響因素對壓蒸膨脹率的不同影響程度和具有普遍意義的基本規(guī)律性，同時也對其本質(zhì)進行了微觀結(jié)構(gòu)分析。這對工程實踐應用和發(fā)展外摻MgO混凝土筑壩技術(shù)具有重要實際意義，同時也可供同行作進一步深入研究借鑒和參考。

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