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外掺氧化镁技术及产品综述

近几年来,用外掺轻烧氧化镁微膨胀混凝土的延期膨胀性能来补偿混凝土的温度应力,是混凝土防裂筑坝技术之一,其优点在于简化了温控措施,降低了工程造价,可以有效地防止基础混凝土产生裂缝;同时可以减少浇筑块的分缝,加快工程的进度等。外掺MgO 混凝土筑坝技术来源于生产工程实践,经过了长期试验研究后提出,利用MgO 材料水化所释放的化学能来解决大坝温控问题,突破了人们的传统认识。我国组织多学科共同攻关,经过30多年的基础理论和工程应用研究,全面掌握了外掺MgO 混凝土的物理力学性能及长期膨胀变形规律,在膨胀机理、变形性能、应力补偿理论、施工措施、均匀性控制及安定性试验方法等方面已形成了一套完整的筑坝理论体系,并在我国至少17个省50余个工程的不同部位得到应用( 其中全坝外掺MgO 混凝土拱坝有14 座)且均获得了成功[1]。外掺氧化镁技术可用于有抗裂和防渗要求的地下工程、高层建筑基础、凡是有约束(钢筋就是很好的约束)条件的工程都可采用MgO混凝土施工。采用复合型MgO材料对耐腐蚀、耐酸性、耐高温能力更强,这种新材料可大大提高混凝土的耐久性能。如果推动使用内含MgO水泥还可充分利用高镁矿山资源。所以我们呼吁新型MgO膨胀材料应该在我国各系统得到广泛宣传推广使用[2]

氧化镁膨胀机理及防裂原理

一、氧化镁膨胀机理

邓敏等认为,MgO水泥浆体的膨胀起因于Mg(OH)2晶体的生成和发育,膨胀量取决于Mg(OH)2晶体所在的位置、形状和尺寸,膨胀能来自Mg(OH)2晶体的吸水肿胀力和结晶生长压力,早期膨胀的主要驱动力主要来自肿胀力,后期则主要来自结晶生长压力,粉煤灰水泥和矿渣水泥对MgO水泥浆体膨胀具有抑制作用主要是因为粉煤灰水泥和矿渣水泥浆体孔溶液的碱度低于硅酸盐水泥浆体孔溶液的碱度, 如图1所示,图1(a)和(c)为高碱度孔溶液中Mg2+、OH-和Mg(OH)2的分布;图1(b)和(d)为低碱度孔溶液中Mg2+、OH-和Mg(OH)2的分布。在高碱度环境下,OH-浓度高,Mg2+向周围扩散的距离短,Mg(OH)2 在MgO 颗粒表面附近生长,生长相对集中,从而产生较大的膨胀(图1(a)),反之,在低碱度环境下,Mg(OH)2生长区域较分散,因而产生的膨胀较小(图1(b))[3]

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二、防裂原理

在混凝土中掺入适量的特制的轻烧MgO,利用MgO水化所释放的化学能转变为机械能,使混凝土产生自生体积膨胀,抵消其在温降过程中的体积收缩,也就是利用其独特的具有延迟性的、不可逆变形及长期稳定的微膨胀性能来补偿大坝混凝土在温降时的体积收缩和温度变形。更确切地说,就是利用MgO混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩,达到防裂目的。也就是说,MgO混凝土筑坝技术,是通过调节混凝土的自生体积变形来补偿混凝土的温度变形,抛弃了传统的从控制混凝土的温度着手来预防混凝土裂缝的理念。该项技术于1989 年9 月在贵阳通过了由能源部组织的技术鉴定,鉴定意见认为,本技术的实施,具有显著的经济效益和社会效益,不仅可以简化温控措施,有效防止基础裂缝,而且可以缩短工期,是一项加快水利水电建设的有效措施,具有推广应用价值,该研究成果具有国际领先水平[4][5]

氧化镁混凝土性能综述[6][7] [8]

一、氧化镁混凝土的力学性能

力学性能是衡量混凝土性能的重要指标之一,是混凝土微观结构在宏观上的间接反映,而强度又是量化混凝土力学性能的一个重要指标。依据混凝土强度指标可以直接判断建筑物质量是否满足结构设计要求,混凝土的抗拉强度又是大体积混凝土抗裂性的主要指标。

工程调研资料表明, 各坝段和基础垫层中外掺氧化镁的掺量介于4.0%~6.0%, 外掺氧化镁超量取代时,在相同条件下,混凝土各龄期的力学性能指标均比未掺的高。一方面是由于氧化镁水化体积膨胀使得混凝土结构更加密实, 另一方面外掺氧化镁使得混凝土单位胶材用量增加, 水灰比减小,从而导致强度提高。

李承木将龄期10年和12年的氧化镁混凝土抗压强度与其1a 强度比较,发现强度仅分别降低了3.1%和4.7%,说明氧化镁混凝土的长期力学性能是稳定的。

二、氧化镁混凝土的变形性能

在相同应变下,混凝土的弹性模量越小,产生的拉引力越小;混凝土的极限拉伸值越大,能够提高混凝土抵抗更大的拉应变;混凝土的徐变越大,能更好地缓解外部荷载和温度应力对混凝土的破坏作用;混凝土干缩是混凝土收缩的主要因素,降低混凝土的干缩, 能更好地提高混凝土的抗裂性能;自生体积收缩量小,对混凝土抗裂有利;线膨胀系数越小,相同温差下,产生的应变就越小,从而带来的拉应力也越小。

2.1 氧化镁混凝土的弹性模量

李承木针对氧化镁混凝土的长期性能研究表明, 外掺氧化镁混凝土的弹性模量随龄期延迟而增加,随氧化镁掺量的增加而稍有提高,但增长率一般不超过10%。升温养护时,氧化镁混凝土的弹性模量也会增加。但上述试验外掺氧化镁是超量取代水泥, 长科院进行氧化镁等量取代水泥试验表明,经过1a 水化龄期,外掺6%氧化镁的混凝土抗压弹模与未掺混凝土基本相当。

2.2 氧化镁混凝土的极限拉伸值

许多设计单位在坝工大体积混凝土设计时经常提出抗裂性要求, 通常以极限拉伸值来衡量混凝土抗裂能力的好坏。

锦屏一级水电站为了使混凝土具有一定的微膨胀性能,外掺一定数量的氧化镁。氧化镁掺量为3.0%、4.0%时, 混凝土的极限拉伸值分别从133×10-6 增长至137×10-6 和142×10-6。二滩(F1~F4)、铜头(J1~J4)、沙牌(K1~K3)的试验结果表明,F、J、K 各级配混凝土的极限拉伸值均大于125×10-6,且龄期越长混凝土的极限拉伸值增长幅度越大,龄期180d 混凝土的极限拉伸值较28d 增长了15%~27%,有利于提高大坝温控防裂。

2.3 氧化镁混凝土的干缩

长科院开展溪洛渡大坝A 区和闸墩外掺氧化镁混凝土研究表明,经过1a 水化龄期,掺入6%活性指数为160s 轻烧氧化镁,A 区和闸墩混凝土的干缩率较不掺氧化镁混凝土分别减小了34×10-6和32×10-6,降低约8.8%和6.8%。外掺氧化镁混凝土的干缩率比普通混凝土要小15%~22%。大量试验研究还表明, 掺粉煤灰同时掺氧化镁能显著减小干缩,于混凝土抗裂有利。

a 氧化镁混凝土的自生体积变形

混凝土硬化过程中, 由于水泥水化而引起的体积变化称为自生体积变形。氧化镁混凝土的自生体积变形主要是由化学收缩和自收缩引起的,一切影响混凝土化学收缩和自收缩的因素都会影响氧化镁混凝土的自生体积变形, 而混凝土的化学收缩和自收缩主要来源于胶凝材料的水化。外掺氧化镁对混凝土性能影响最为显著的就是自生体积变形

b 氧化镁混凝土的徐变

混凝土在持续应力作用下,应变随持荷龄期延迟不断增长,这种现象称为混凝土的徐变。单位应力作用下的徐变变形,称为徐变度。氧化镁混凝土徐变的变形规律与普通混凝土徐变类似, 均是随加荷龄期延迟而减小,随持荷龄期延迟而增加。其他条件相同时,外掺氧化镁混凝土的徐变度较普通混凝土一般要大20%以上,氧化镁掺量分别为5%和6%时, 氧化镁混凝土较普通混凝土的徐变度分别增长了22%和27%。外掺氧化镁混凝土的徐变系数也大于普通混凝土,徐变系数大,表明混凝土受荷作用下应力松弛大, 有利于降低集中应力峰值,减少收缩裂缝和温度应力。

3、氧化镁混凝土的耐久性

混凝土耐久性是指混凝土暴露在使用环境下抵抗各种物理和化学作用的能力。混凝土耐久性破坏可分为由物理和化学两方面作用引起, 一般认为,除磨损外,其他破坏因素均与有害物质侵入混凝土密切相关。主要从抗渗性能、抗冻性能、抗冲磨性能和抗碳化性能几方面分析总结氧化镁混凝土的耐久。

3.1 氧化镁混凝土的抗渗性能

Mehta 提出的混凝土受任何外环境影响而劣化的整体模型认为,无论何种破坏形式,渗透性对混凝土的膨胀与开裂起着决定性作用。因此,任何提高混凝土抗渗性的措施, 必将有助于显著提高混凝土的耐久性。有研究表明,其他条件相同时,掺入3.5%氧化镁的混凝土与未掺的混凝土相比,在1.2MPa 渗水压力下均未渗水, 但前者的渗水高度约为后者的2/3,即外掺氧化镁混凝土的抗渗能力比未掺的提高约50%。二滩水电站开展氧化镁微膨胀混凝土的渗透性研究,结果得到氧化镁混凝土的抗渗能力较未掺的提高60%以上。

3.2 氧化镁混凝土的抗冻性能

混凝土冻融耐久性是指混凝土暴露于反复冻融循环条件下抵抗膨胀开裂的能力。氧化镁混凝土的冻融损失规律与普通混凝土相同,即相对动弹模随着冻融次数增加不断下降

3.3 氧化镁混凝土的抗冲磨性能

开展了氧化镁混凝土抗冲磨研究,结果表明氧化镁掺量为3%时,混凝土28d 和90d 的抗冲磨强度较未掺的分别增长了7.6%和4.0%,氧化镁掺量为5%时,28d抗冲磨强度增长幅度为2.5%而90d 抗冲磨强度仅增长0.5%,说明掺入适量的氧化镁有利于提高混凝土的抗冲磨能力,但要控制氧化镁的掺量。

3.4 氧化镁混凝土的抗碳化性能

氧化镁混凝土长期碳化性能试验结果表明,随龄期增长混凝土的碳化深度增加。经过28d 连续碳化, 氧化镁混凝土的碳化深度比未掺的减小2.24%,掺入30%粉煤灰后,氧化镁混凝土的碳化深度比未掺的减小34.3%; 当外掺5%氧化镁后,同时掺粉煤灰混凝土的碳化深度比未掺的仅大4.9%。分析认为,掺入粉煤灰会加速混凝土的碳化速度,增大碳化深度,外掺氧化镁能显著减缓碳化速度,提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力。


对外掺氧化镁混凝土的力学性能、变形性能和耐久性进行了总结分析, 认为氧化镁混凝土的长期力学性能是稳定的, 外掺氧化镁能显著改善混凝土的变形性能和长期耐久性能。


引用文献

[1] 李承木, 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科学研究所.外掺氧化镁混凝土快速筑坝技术综述.水利水电科技进展.2013,3(5):82-88

[2] 李万军、四川省水利水电勘测设计研究院;李晓勇, 李承木,中国水电集团成都勘测设计研究院.大体积混凝土的温度控制与防裂新途径.中华建设科技,2014 (4): 222-223

[3] 章清娇,邓敏,南京工业大学材料科学与工程学院.掺MgO膨胀剂水泥浆体膨胀机理研究述评.科技导报2009,27(13):111-115

[4] 陈昌礼,武汉大学.氧化镁混凝土筑坝技术的应用情况分析.贵州水力发电,2005年4月,19(2):51-53

[5] 陈昌礼,贵州师范大学材料与建筑工程学院, 李承木,中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,.混凝土,2006(5):45-53

[6] 任金来,辽宁省水利水电勘测设计研究院..江西建材2015 (13):6-7

[7] 李家正,陈霞,杨华全,王迎春,武汉市长江科学院.外掺氧化镁混凝土性能研究综述.膨胀剂与膨胀混凝土.2010(1):10-14

[8] 文明贡,贵州省水利水电勘测设计研究院..黑龙江水利科技.2015 (1):65,66,206

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