分析某大坝混凝土掺MgO质量试验方法

　　摘要:鉴于原不够科学的检验方法,长期以来,MgO便作为水泥的有害成分而被严格限制。实际上,高温高压破坏了可能约束试件膨胀的粘结力,不适当地提高了膨胀量,夸大了它的不安定性,因此压蒸结果不安定。所以,寻找一种切合实际、简便有效的快速检验MgO极限含量的方法,已成为推广应用高镁水泥亟待解决的问题。本文根据有关资料,通过试验结果分析,提出采用水泥胶砂压蒸检验方法代替水泥净浆压蒸检验方法的建议。
　　关键词:混凝土;外掺MgO;质量;分析
　　1前言
　　国内外对水泥中MgO含量的控制,一直沿用水泥净浆试件在2MPa压力下(温度达216℃),压蒸3h,使Mg(OH)2全部反应完的膨胀量,作为MgO合格含量的评定标准。任何物质的化合反应在高温高压与常温常压状态下,是有显著差别的,特别是活性较低的MgO,在常温下其反应速度极为缓慢,可延长至几十年;但在高温高压下,其反应速度十分迅速,且在加速化学反应时,会产生相应的体积膨胀(包括f-CaO的膨胀量、水泥浆体低固相低强度下产生的体积热膨胀量,这种膨胀一般是不可逆的),从而导致水泥净浆压蒸测得的膨胀值偏大。
　　表1净浆试体的压蒸膨胀率
　　
　　注:(1)OPC指硅酸盐水泥;(2)PFA指粉煤灰;(3)轻烧MgO的掺量为MgO粉,占胶凝材料(水泥和粉煤灰)的重量百分含量;(4)GB/T176-87及GB/T175-92规定,硅酸盐水泥压蒸膨胀值<018%,普通硅酸盐、粉煤灰硅酸盐水泥<015%。
　　2不同检验方法比较MgO含量对安定性的影响
　　2.1不同MgO掺量的水泥净浆试体压蒸试验
　　不同MgO掺量的水泥净浆试体压蒸试验成果见表1。从表1中可看出,水泥净浆试体膨胀值MgO掺量的增加而增加。未掺粉煤灰时,MgO掺212%时已发生突变,已达到极限掺量。粉煤灰掺量为30%时,MgO掺量在3%时将发生突变,故3%即为MgO极限允许掺量,若按此来控制混凝土MgO掺量,配制的混凝土微膨胀无法达到设计要求,多个工程实践证明,该试验方法检测结果数据偏大,不宜作为外掺MgO混凝土控制指标。
　　2.2水泥净浆试体在20℃水中养护的膨胀率
　　从表2中可以看出,MgO掺量为6%时,粉煤灰掺量为0,10%,15%,20%,25%,30%时,其180d龄期膨胀率分别为0.279%,0.186%,0.149%,0.148%,0.104%,0.151%。结果表明粉煤灰掺量在10%～25%时,有显著的抑制水泥净浆试体的微膨胀作用,但掺30%比掺25%的微膨胀量还增大45%,说明适量的粉煤灰掺量能减少混凝土干缩,从而提高其微膨胀率。MgO掺量同为4%时,压蒸膨胀量是20℃水中养护180d的24倍,说明养护温度对MgO膨胀量影响极大,且常温养护时间过长,又无标准作衡量判定,因此该法不能作为MgO掺量控制的依据。
　　2.3水泥净浆试体在50℃水中养护的膨胀率
　　从表3中可以看出,MgO掺量为4%时,粉煤灰掺量为0,10%,15%,20%,25%,30%时,其180d龄期微膨胀率分别为0.417%,0.256%,0.138%,0.207%,0.116%,其值与20℃水中养护比较,同为30%的粉煤灰及6%的MgO掺量时,其180d龄期膨胀率高出108%,说明温度对促进MgO的膨胀量影响极大,且测值与压蒸差别太大,因此也不能作为判定依据。
　　2.41∶3的水泥砂浆试体压蒸试验膨胀率
　　从表4中可看出,未掺粉煤灰、MgO掺量为5%时,其膨胀率仅为0.68%,未超过规范要求(<0.8%);而MgO掺量为6%时,其膨胀率达1.044%,已超过规范要求,因此5%作为极限允许掺量。在粉煤灰掺量为30%时,MgO极限掺量可达到8%,但笔者认为此掺量偏大,宜按1∶2胶砂试件的压蒸膨胀值来确定MgO的极限掺量,较为实际,但检测方法尚需进一步完善。特别是掺粉煤灰后宜按2d后拆模作为基础值,才可能避免由于脱模过早而增大的误值。
　　2.5水泥砂浆试体在50℃水中养护的膨胀率
　　从表5中可以看出:MgO掺量为6%时,粉煤灰掺量为0,10%,15%,20%,25%,30%时,180d龄期膨胀率分别为0.139%,0.044%,0.025%,0.025%,0.041%,0.077%;粉煤灰掺量在30%后,其微膨胀比掺20%还增大200%,说明30%是粉煤灰较佳掺量,但这种检验方法作为判定MgO安全掺量也无参考价值。
　　3MgO压蒸试验综合分析
　　3.1水泥净浆压蒸测值过大
　　从以上水泥净浆压蒸、水泥胶砂压蒸及水泥净浆在水中(20℃及50℃)养护180d试验结果可以看出:水泥净浆压蒸检验结果,MgO掺量2.2%时,其膨胀率为0.63%,20℃水中养护180d;MgO掺量在6%时,其膨胀率也只有0.28%,而50℃时可达0.68%,这说明温度是促使MgO产生水化膨胀的主要因素,高温高压极大地促进了水化Mg(OH)2产生的膨胀量。在掺有粉煤灰30%、MgO只有3%时,水泥净浆压蒸膨胀率就达到0.46%,而50℃水中养护180d,MgO含量达6%时,其膨胀率只有0.31%,说明掺有混合材时,其膨胀差别更大。掺30%粉煤灰,MgO含量只有3%,其膨胀量就达0.46%,已达极限掺量,为了满足坝体补偿收缩的膨胀量要求,MgO实际外掺量为4.2%～4.5%,其180d混凝土膨胀量才达到130×10-6,且已趋于稳定值。说明用水泥净浆压蒸膨胀率来判定MgO掺量,势必限制MgO的有效含量,从而阻碍对MgO膨胀量的合理利用。
　　表220℃水中养护的水泥净浆试体的膨胀率
　　                       
　　表350℃水中养护的水泥净浆试体的膨胀率
　　
　　表41∶3砂浆试体的压蒸膨胀率
　　
　　注:(1)OPC为硅酸盐水泥;(2)PFA为粉煤灰;(3)轻烧MgO的掺量为MgO粉占胶凝材料(水泥和粉煤灰)的比重百分含量。
　　3.2水泥净浆、砂浆及混浆土结构无法比拟
　　众所周知,混凝土是一个多相体结构,其砂石骨料体积占总体积的70%～80%,水泥砂浆约占30%～40%,水泥净浆只占约20%。因此在等量MgO时,其膨胀量在3个不同组合材料中,产生的体积膨胀量有很大的差别。
　　如表6所示,MgO掺量均为415%时,水泥净浆压蒸膨胀量为水泥砂浆膨胀量的360%～455%,为混凝土膨胀量的1185%～1617%;而水泥砂浆膨胀量为混凝土膨胀量的329%～355%。MgO掺量同为胶凝材料的4.5%时,MgO体积比浓度,水泥净浆大于砂浆,砂浆大于混凝土。同时砂石料颗粒对MgO膨胀有一定的离间及约束作用,所以用水泥净浆的变形量来评判MgO的极限含量,必然成倍地增大MgO的膨胀量,这与实际混凝土相差极大。国内各坝体混凝土MgO含量统计见表7。
　　从表7中可以看出,不管是内含或外掺的MgO,都具有微膨胀作用,其含量只要不超过7%,已建成的大坝都属安全运行,且都具有减少温度裂缝、补偿温差应力(高达40℃)的作用。因此,若以水泥砂浆压蒸试验替代水泥净浆压蒸试验,更接近于实际工程中MgO应用状况。
　　表550℃水中养护的水泥砂浆试体的膨胀情况
　　
　　表6水泥净浆、砂浆、混凝土变形关系
　　
　　4结语
　　拟用水泥胶砂试块进行压蒸试验,胶砂比例为1∶2,成型养护温度为20℃,养护时间为48h。拆模后量测初始长度,然后放于高压釜中,压力为2MPa,压蒸时间为3h,检测时应以缓慢降温到20℃的压蒸膨胀值作为评定MgO含量安定性的依据,评定标准按GB/T516-87的规定:硅酸盐水泥压蒸膨胀值小于0.8%,普通硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥小于0.5%,且压蒸后试件表面无龟裂、脱皮、粉化等,即该MgO含量为合格。改用该方法后,保留了通用的压蒸时间及温度的规定,促进了MgO在高温高压下快速水化的作用,快速选择MgO的安全掺量,同时改用水泥砂浆试件更接近于混凝土本身结构,又成倍地增大了MgO在混凝土中所占体积的比值,增大了MgO含量在混凝土中安定性的保证值,达到较为实际地检测MgO压蒸膨胀量及合理选择MgO含量的目的。