MgO掺量对介质压蒸膨胀率及孔隙参数影响的研究

方坤河， 陈昌礼， 李维维， 蒋 君， 赵振华

（1.贵州师范大学材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550059；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

0 引言

掺于混凝土中的轻烧MgO具有延迟膨胀性能，可以补偿坝体混凝土降温过程中产生的体积收缩，简化温控措施。然而，MgO掺量过高可能引起混凝土体积变形的不安定，这就存在MgO的允许掺量即安定掺量问题。水工混凝土中MgO的安定掺量可以借鉴GB/T 750—1992 《水泥安定性试验方法 (压蒸法)》和 《水泥砂浆安定性试验方法 （试行）》[1]进行确定。 《水泥安定性试验方法 （压蒸法）》规定，当普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥的压蒸膨胀率不大于0.50%、硅酸盐水泥压蒸膨胀率不大于0.80%时，认为体积安定性合格，反之为不合格。不过，该方法规定试样使用水泥标准稠度净浆制作，这与实际混凝土中水泥浆的水灰比相差甚远。此外，一般混凝土中还掺有掺合料和外加剂，它们都对试样的压蒸膨胀率有不同程度的影响。 《水泥砂浆安定性试验方法 （试行）》参照水泥安定性试验方法，用水泥砂浆替代水泥标准稠度净浆进行压蒸试验，将不同MgO掺量的水泥砂浆压蒸膨胀率点绘成曲线，规定曲线中的拐点即为水泥砂浆压蒸安定性的MgO极限掺量。

毛细孔多孔材料吸收浸润液的动力学方法，是测量水泥石、砂浆和混凝土等多孔材料孔结构参数的通用方法[2]。水是浸润水泥材料最方便的浸润液。利用吸水动力学方法可以测定材料的吸水率 (即材料的显孔隙率)，通过材料的吸水过程可获得材料孔隙的平均孔径参数和孔径均匀性参数。材料的吸水率越大，说明孔隙率越大，反之越小；孔径均匀性参数α的数值在0～1之间，其值越接近于1，说明材料孔隙的孔径越均匀；材料的平均孔径参数λ（λ1或λ2）的数值越大，说明孔隙的孔径越大，反之越小。

本文通过压蒸安定性试验和对应试样的吸水动力学试验，研究MgO掺量对试样压蒸膨胀率和孔隙率及孔隙构造的影响，以期对混凝土中MgO的安定性掺量的确定有所裨益。

1 试 验

1.1 试验原材料

（1）水泥。采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，密度3.06 g/cm3，比表面积355 m2/kg，标准稠度用水量27.5%，安定性合格，其主要化学成分见表1。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥的主要化学成分（质量分数）%

（2）MgO。采用辽宁海城东方滑镁公司生产的轻烧MgO，密度3.394 g/cm3，细度 （0.045 mm筛的筛余）为26.8%，其主要化学成分见表2。

表2 MgO的主要化学成分（质量分数）%

（3）粗细骨料。采用灰岩人工砂和碎石，取自贵州某水电站工地。人工砂的细度模数为2.43，属中细砂，颗粒级配属于第Ⅱ区，级配良好，砂的视密度2.715 g/cm3，吸水率2.31%。粗骨料由工地加工成小石 （5～20 mm）、 中石 （20～40 mm）两级。

（4）外加剂。采用奈系高效减水剂，其品质符合现行标准。

1.2 试验方法

在实验室拌制外掺MgO的水泥净浆、砂浆和混凝土砂浆。其中，MgO的外掺量按胶凝材料总质量的百分数计。

（1）水泥净浆的压蒸试验方法和试验结果处理按 《水泥安定性试验方法 (压蒸法)》的有关规定进行。

（2）砂浆、混凝土砂浆的压蒸试验方法和试验结果处理按 《水泥砂浆安定性试验方法 （试行）》的有关规定进行。

（3）试验使用砂浆的砂灰比为3.0。试验使用的混凝土基准配合比为：一级配混凝土，水泥317 kg/m3、 水 174.5 kg/m3、 砂 873.5 kg/m3、 小石 1 113 kg/m3；二级配混凝土，水泥275 kg/m3、水151.3 kg/m3、 砂 850 kg/m3、 小石 510 kg/m3、 中石 765 kg/m3。试验过程中通过改变减水剂的掺量以控制拌和物的坍落度在70～90 mm。混凝土砂浆的配合比，由相应级配混凝土去除粗骨料得到。

（4）介质的孔隙参数采用吸水动力学方法测定。使用与压蒸试验相同的原材料进行试验，试件为边长70.7 mm的立方体，静置24 h拆模后置于标准雾室中养护至试验龄期，在105℃条件下烘干至恒量，再冷却至室温后用感量为0.01 g的液体天平测定试件在水中的质量随吸水历时的变化。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

不同MgO外掺量的水泥净浆、水泥砂浆、一级配混凝土砂浆、二级配混凝土砂浆试件压蒸膨胀率和孔隙参数试验结果见表3～6；180 d吸水过程曲线见图1。

2.2 试验结果分析

从表3～6和图1可以看出，若以压蒸膨胀率曲线的拐点 （并参考压蒸膨胀率不大于0.5%）进行控制，则本试验的水泥净浆MgO外掺量不应超过2.3%（考虑水泥本身含有2.47%的MgO，MgO总量应不超过4.77%）；砂浆MgO外掺量不应超过4.5% （考虑水泥本身含有2.47%的MgO，MgO总量应不超过6.97%）；一级配混凝土砂浆MgO外掺量不应超过4.5% （考虑水泥本身含有2.47%的MgO，MgO总量应不超过6.97%）；二级配混凝土砂浆MgO外掺量不应超过5.5% （考虑水泥本身含有2.47%的MgO，MgO总量应不超过7.97%）。这时，试样180 d的质量吸水率相对较低 （即孔隙率较小），28～180 d吸水率的降低率较大，试样的其他孔隙参数 （如孔径的均匀性、平均孔径等参数）随龄期的延长有较大的改善。

表3 水泥净浆试件压蒸膨胀率和孔隙参数测试结果

表4 水泥砂浆试件压蒸膨胀率和孔隙参数测试结果

表5 一级配混凝土砂浆试件压蒸膨胀率和孔隙参数测试结果

表6 二级配混凝土砂浆试件压蒸膨胀率和孔隙参数测试结果

图1 180 d龄期吸水过程曲线

轻烧MgO之所以具有延迟膨胀性能，是因为水镁石水化缓慢并具有膨胀性。水泥的水化是逐渐（但大部分在28 d之前）进行的，随着水泥水化龄期的延长，水泥石越来越密实。适量的轻烧MgO的存在降低了水泥石的孔隙率，有利于孔隙构造的改善。而MgO过量则会破坏水泥石的结构，不利于孔隙构造的改善，甚至破坏水泥石密实度。这是水泥净浆、水泥砂浆和一、二级配混凝土砂浆压蒸膨胀率与MgO掺量关系曲线都出现拐点的原因，也是掺入过量的MgO时，试样的质量吸水率或1 h的吸水过程线高于MgO外掺量为零的试样的原因。

3 结论

（1）随着MgO外掺量的提高，水泥净浆、砂浆和混凝土砂浆的压蒸膨胀率增大。

（2）MgO的外掺量超过某一数值后，水泥净浆、砂浆和混凝土砂浆的压蒸膨胀率随MgO外掺量的提高显著增长，即出现了明显的拐点。

（3）试样的孔隙率及孔隙构造与MgO的外掺量有必然的联系。根据介质的孔隙率及孔隙构造的观测结果，可以评估介质的体积安定性。

（4）在MgO的安定掺量范围内，随养护时间的延长，介质的孔隙率降低较明显，孔径均匀性、平均孔径等参数得到显著的改善。

［1］ 曹泽生，徐锦华.氧化镁混凝土筑坝技术 ［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］ A·E·谢依金（苏）， 等.水泥混凝土的结构与性能［M］.胡春芝，等译.北京：中国建筑工业出版社，1984.