高活性氧化镁膨胀剂对UHPC性能的影响_张占强.pdf

文章编号：（）高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响张占强，李顺凯，陈平，明阳，陈泓瑞，李航，王静阳，冉耀，（桂林理工大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 ；桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 ；广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 ；有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心，广西 桂林 ；中铁十二局集团有限公司，太原 ）摘要：利用一种活性反应时间为 的高活性氧化镁膨胀剂（）掺入超高性能混凝土（），研究了其对 工作性能、力学性能和体积稳定性的影响。采用压汞法对孔隙率及孔结构进行了表征，并利用 和 对硬化砂浆的微观形貌进行了分析。结果表明，高活性 会降低 的流动性和力学性能，但可明显改善早期自收缩，的最大掺量不宜超过胶凝材料总量的；会降低早龄期 的孔隙率，并细化其孔径，尤其是小于 的孔，这是导致 可以补偿 自收缩的重要原因；微观测试结果表明，在原位水化反应生成密实的 （），受到抑制的结晶将产生结晶压力，从而导致体积膨胀；由 结果可知，无胶结能力的 及其水化产物与水泥浆体的界限随龄期的增长而逐渐模糊，整体趋于密实。关键词：氧化镁膨胀剂（）；超高性能混凝土（）；孔结构；掺量；补偿收缩中图分类号：文献标识码：引言超高 性 能 混 凝 土（，）被誉为是一种在结构、性能方面能够重塑建筑行业未来的土木工程材料，具有超高的强度和优异的耐久性，它满足了工程结构向更高、更长和更深方向发展的需要。然而，由于 在配制过程中具有水泥用量大、无粗骨料等特点，会产生较大的早期收缩，并由此引发收缩裂缝，制约着 的发展和应用。氧化镁膨胀剂（，）是一种可以有效补偿混凝土收缩的新型膨胀剂。我国利用 的微膨胀作用，已建成多座水电站、轻质墙、钢管混凝 土 及 地 下 管 廊 等 工 程。然 而，不 同 活 性 的 对混凝土的减缩效果差异较大。等 将不同活性的 掺入水泥浆体，发现 可以有效补偿净浆的自收缩，且掺量越多、活性越高，效果越显著。等 在砂浆中掺入不同活性的 ，发现高活性的 早期膨胀速度要快于低活性的，但膨胀停止时间也早，而低活性的 后期膨胀速率加快，总膨胀时间持续的更长。陆安群等 发现，在常温养护条件下，早期的膨胀性能随着活性值增大呈指数性减小。发现提高煅烧温度至 ，死烧的 基本不会补偿早龄期混凝土的收缩，反而会导致长龄期混凝土的膨胀，危害结构物的安全。综合以上研究，不同活性的 可以补偿不同龄期混凝土的收缩。但 的收缩不同于普通混凝土或砂浆，主要表现在 的早期收缩速率更快，高收缩往往也伴随着高开裂风险。高活性的 能在短时间内产生较大的膨胀，因此考虑将其掺入，以期缓解 过大的早期自收缩。本文通过将活性反应时间为 的高活性 掺入 ，以研究其对 工作性能、力学性能和体积稳定性的影响，旨在减少 的早期自收缩。实验实验原材料实验采用兴安海螺生产的 级普通硅酸盐水泥（），及平均粒径为 的硅灰（）。使用江苏某公司生产的高性能聚羧酸高效减水剂（），固含量，减水率大于。采用 目（）、目（张占强 等：高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响基金项目：广西重点研发计划项目（桂科 ）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：李顺凯，：；陈平，：作者简介：张占强（），男，在读硕士，师承陈平教授及李顺凯教授，主要研究超高性能混凝土的制备及耐久性。）及 目（）的石英砂（）作为 的骨料。使用煅烧菱镁矿的方法制备高活性 （先烧后磨），利用柠檬酸中和反应确定的活性反应时间为，具体制备方法详见文献 。原材料的主要化学组成如表所示。表原材料的主要化学组成（质量分数）（）实验方法（）流 动性及 力学 性能 测 试。分 别 依 据 水泥胶砂流动度测定方法、水泥胶砂强度检验方法（）法 进行流动性及力学性能实验。（）自收缩测试。依据 （）。采用改进的 型接触式波纹管测定仪测定 自收缩，两端均装有千分表，其精度可提高一倍。每 测试一次，连续记录新鲜混凝土从浇筑至硬化成型后内的自收缩值。每个配比制作三个测试样品，取平均值作为最终测试结果。（）孔隙率及孔结构测试。磨碎至 左右的块体，用丙酮反复冲洗并浸泡 以终止水化，在 的真空干燥箱烘干至恒重，然后对试样进行压汞测试（）。仪器采用 压汞仪，将汞压力固定在 。（）微 观 结 构 分 析。采 用 （）仪器观察硬化样品的微观形态。所有样品喷金后，在 的加速电压下观察其微观形貌（），在 的电压下进行能谱分析（）。实验配合比控制水胶比为，胶砂比为，以制备满足需要的，具体配合比如表所示。拌制过程如下：（）为保证 在 中的充分分散，先将 与石英砂充分混合搅拌 ；（）再加入其他粉末，均匀搅拌 ；（）随后加入水和高效减水剂慢速搅拌 ，快速搅拌 ；（）在测量流动度后，将新鲜的混凝土及时装入模具进行实验。表 配比（）（）结果与讨论 对流动度的影响在固定水胶比不变的情况下，拌合物的流动度如图所示。从图中可以看出，当 的掺量分别为、和 时，的流动度分别降低了、和 ，这说明 的流动度随 掺量的增加而减少。当 掺量为 时，流动度降低至 。由于工作性能无法得到保证，在后面的实验中也将不再涉及。会降低 的流动度，主要是由于使用内掺法，相同剂量的 替代了水泥，而浆料的和易性取决于水膜覆盖颗粒的厚度。的比表面积大于水泥，因此在搅拌过程中需要比水泥消耗更多的水，以获得相似厚度的水膜，从而降低了 的流动性。图 掺量对 流动度的影响 对 力学性能的影响不同掺量的高活性 对 的抗压及抗折影响如图所示。与基准组相比，掺量分别为、时，龄期的 抗压强度分别降低了 、，抗折强度 分别降 低 了、和 。这表 明掺 入 会 对 的力学性能产生不利影响，且掺量越多影响越明显。这主要是因为 取代了水泥，而 的水化产物对力学性能的贡献明显不及水泥；另一方面，与水泥颗粒相比，本文制备的高活性 颗粒更小，比表面积大，且结构疏松。因此在胶凝材料水化过程中，比水泥颗粒更容易竞争获得水分，水泥石内部可供给水泥水化的水量减少，水泥水化产物减少，进一步降低了力学性能。这也可以从图得到印证。年第期（）卷 对 自收缩的影响高活性 对 自收缩的影响如图所示。由图可知，早龄期的 具有很大的自收缩，的 自 收 缩 高 达 ，这 意 味 着 约 的自收缩发生在凝结硬化后的约。相较于的基准组，当 掺量分别为、时，基体的自收缩分别降低了 、和 。这说明高活性的 可有效补偿 的早期自收缩，且掺量越多，最终的膨胀量也越大，补偿效果越明显。然而，即使掺入的高活性 仍不能完全补偿 的自收缩，因为试件在宏观上仍然表现为收缩而非膨胀。掺入 后收缩曲线的斜率基本不变，只是略小于基准组，这说明 的微膨胀与 的自收缩具有良好的适应性。图 掺量对 力学性能的影响：（）抗压强度；（）抗折强度 ：（），（）图 对 自收缩性能的影响 对孔结构的影响高活性 对龄期 孔结构的影响见图。图（）为 的孔体积增量分布曲线。由图可知，对 基体大于 的孔径影响较小，浆体的孔径主要分布在 的范围内。、和 的平均孔径分别为 ，和 ，相对应的最可几孔径分别为 ，和 ，可 见 不 同 掺 量 的 高 活 性 会使 浆体的孔径分布逐渐变小。图（）为 对 累积孔体积增量的影响。由图可知，的累积孔体积随 掺量的增加逐渐向小孔径方向偏移，总孔隙率逐渐变小。结合测试结果可知，相对于基准组，当 的掺量分别为、和时，基体的总孔隙率分别减少了、和，这说明 会降低早龄期 的孔隙率，且掺量越多降低越明显。这可能是由于颗粒较小的 等量替代水泥后，浆体易于紧密堆积。此外，采用内掺法实际上也降低了 比。文献 认为，早龄期的水泥石中高 比的具有相对粗大的孔结构，大孔占比大可能是导致基准组孔隙率较大的原因之一。研究表明，小于 的孔结构与自收缩密切相关，大 于 的 孔 会对力 学 性 能 产 生 不 利 影响 。综合以上可知，高活性的 会降低 的总孔隙率，提高整体密实度。此外，还有利于细化 基体的孔径，尤其是小于 的孔，这是 可 以 补 偿 自 收 缩 的 重 要 原 因。对 以上的孔径影响较小，也因此，孔结构的变化对 力学性能的影响不大。减缩机理分析图为龄期基准组、试样的 图及 样品的 图。从图中可以看到，基准组存在明显的大孔和微观裂缝。而随着高活性 的掺入，图（）中 样品结构较为密实，并无明显宏观孔和微观裂缝，这说明高活性的 及其水化产物可以有效细化 基体的孔径，减少微裂缝数量，进而补偿 的早期收缩。张占强 等：高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响图 对 孔结构的影响：（）孔体积增量；（）累积孔体积增量 ：（），（）图样品的微观形貌、能谱及元素分布图：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（），：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）（）通过 图可以看出，富集在 基体中，这说明 几乎是在原位发生水化反应的。利用 扫描区域的元素分布如表所示。由表已知，镁元素与氧元素的比例接近于 ，这表明水化后的 ，很大一部分已反应成为 （），细小而密实的（）在 浆体的有限空间中生长，受到抑制的结晶将产生结晶压力 ，从而产生膨胀。图为图（）中区域的局部放大图。从图中也可以清楚地看到水化后的 （）微观形貌。表 元素分布 年第期（）卷图区域的放大图片及能谱图：（）放大图；（）能谱图 ：（）；（）图分别为 样品在和的扫描电镜图，从图中可以看出，随着水化反应的推进，（）逐渐被水化的水泥浆体包围（如），无胶结能力的 及水化产物与水泥浆体的微观界限逐渐模糊。这也可以从图的 照片中得以印证。对 及其水化产物区域进行 扫描，微区中除了可能性较高的 （）晶体外，还有匹配度较高的 元素和 元素。高活性的 缺陷多，具有相当数量的内孔和外孔。根据 等人 的水化理论模型，在原位发生水化反应的 将产生膨胀应力，挤压部分水泥浆体向 颗粒中心浸入，及其水化产物与水泥浆体逐渐生长成密实的整体，有利于长龄期 的体积稳定。图不同龄期 样品的 照片：（）；（）：（），（）结论主要研究了高活性的 对 工作性能、力学性能及体积稳定性的影响，主要结论如下：（）的流动性及力学性能随高活性 的掺入而降低，但 可明显改善 的自收缩，掺量越大改善效果越明显，掺量为的 可降低 自收缩 ；（）的孔隙率随 的掺入而降低，并对其孔径具有细化作用，尤其是小于 的孔；（）通过微观分析，在原位发生水化反应生成致密的 （），受到抑制的结晶将产生结晶压力，从而产生体积膨胀；（）由 结果可知，随龄期的增加，无胶结能力的 及其水化产物与水泥浆体的界限逐渐模糊，继而结合成为密实的整体，有利于长龄期 的体积稳定。参考文献：，（），（）：，（）：（）陈宝春，李聪，黄伟，等超高性能混凝土收缩综述交通运输工程学报，（）：，（）：（）李玲，明阳，陈平，等超高性能混凝土国内外研究与应用进展水泥工程，（）：，：，（）：（）陈昌礼，唐成书 氧化镁混凝土在东风拱坝基础中的应用及长期观测 成 果 分 析 水力发电学报，（）：，（）：（）袁明道，肖明，杨光华长沙拱坝氧化镁混凝土自生体积变形的长期原型观测成果分析水力发电学报，（）：（），（）：张占强 等：高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响（）傅广生 改性轻烧镁（苦土）轻质墙体制品及其系列制品 砖瓦世界，（）：，（）：（）任达勇，柴国进，何阳，等 钢管混凝土用氧化镁复合膨胀剂试验研究与工程应用新型建筑材料，（）：，（）：（）杨柳，陈喜旺，黄天贵，等 膨胀剂在地下管廊裂缝控制中的研究与应用建筑技术，（）：，：，：，（）：（）陆安群，田倩，李华，等煅烧制度对 膨胀剂组成结构及膨胀性能的影响混凝土与水泥制品，（）：，（）：，：（）：（）张占强，李顺凯，陈平，等 氧化镁膨胀剂活性及对 收缩性能的影响 桂林理工大学学报：（）：，：，：，（）：（）常钧，房延凤，李勇钙硅比对水化硅酸钙加速碳化的影响硅酸盐学报，（）：，：，（）：（）韩松，刘丹，张戈，等超低水胶比复合胶凝材料孔结构随 养 护制度 和 龄 期 的 变 化 机 理 硅 酸 盐 学 报，（）：，（）：（）张明，张鹏，张海宾混凝土材料的孔结构科技信息：科学教研，（）：，（）：（）徐宝龙，郑永飞，周根陶水镁石的低温