室外暴露条件下掺MgO膨胀剂C70混凝土的性能.pdf

2 0 1 3 年 第 1 O期 (总 第 2 8 8 期 ) N u mb e r 1 0 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No ． 2 8 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MA TE Rj AL AND ADM I NI CL E 室外暴露条件下掺 Mg O膨胀剂 C 7 0混凝土的性能 曹元辉 。邓敏 ，莫立武 ( 南京工业大学 材料科学与工程学院 材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 2 1 0 0 0 9 ) 摘要 ： 研究 Mg O膨胀剂( ME A) 对 C 7 0 混凝土和易性 、 抗压强度和变形的影 响， ME A活性指数为 4 0 、 1 3 3 S ， 掺量为 O 、 4 ％、 6 ％、 8 ％、 1 2 ％。 结果表明： 外掺 ME A对 C 7 0 混凝土扩展度和坍落度影响不大。 掺 ME A 一 4 0 和 ME A． 1 3 3 混凝土在掺量为 8 ％时 7 、 2 8 d 抗压强度最高。 ME A掺量相 同时， 掺 ME A 一 1 3 3 混凝土 7 、 2 8 d抗压强度均高于掺 ME A 一 4 0 混凝土强度。 掺 ME A对置于室外暴露 条件下 C 7 0混凝土收缩的补偿作用明显。 1 5 0 d内， 同龄期 同掺量时 ， ME A ． 4 0对混凝土收缩的补偿效果优于 ME A一 1 3 3 。 由 1 5 0 d 数据看出， 掺 6 ％ME A ． 1 3 3和掺 4 ％ME A 一 4 0 对混凝土的补偿效果较好 。 关键词： ME A膨胀剂 ；抗压强度 ；变形 中图分类号 ： T U 5 2 8 ．0 4 2 ． 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 1 0 — 0 0 6 2 — 0 4 P e r f o r m a n c e o f C 7 0 c o n c r e t e mi x e d w i t h MgO— b a s e d e x p a n s i v e a g e n t i n o u t d o or e x p o s u r e c o n d i t i o n s C A0Yu a r ~u i ， DE NGMi n ， MOLi wu ( S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ma t e r i a l s - Or i e n t e d C h e mi c a l E n g i n e e r i n g Co l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： E ffe c t o f Mg O— b a s e d e x p a n s i v e a g e n t( ME A) o n wo r k a b i l i ty， c o mp r e s s i o n s t r e n g t h and d e f o r ma t i o n o f C 7 0 c o n c r e t e wa s i n — v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r ． T h e a c t i v i tyv a l u e s o f ME Au s e dwe r e 4 0 S a n d 1 3 3 S ． andthe a mo u n t o f ME A a d d e di n c o n c r e t ewe r e 0， 4 ％， 6 ％ ， 8 ％ an d 1 2 ％ ． r e s pe c t i ve l y ． Re s u l t s s h o we d t h a t the M EA ha d l i t t l e i nfl ue n c e o n the wo r k a b i l i t y o f C7 0 c o n c r e t e ． 7 da y a nd 28 da y ’ S t o m- p r e s s i o n s t r e n g t h o f a d d i ng wi t h M EA一 40 a n d MEA 1 3 3 c o nc r e t e wa s t h e ma x i mu m wh e n the a mo un t o f MEA wa s 8 ％ ． Co mp r e s s i o n s tre n g t h o fc o nc r e t e c o n t a i ni n g M EA 1 3 3 wa s g r e a t e r t h an tha t c o n t a i n i ng MEA- 4 0 wh e n the c o n t e n t o fMEA wa s the s a me ． Ad d i ng MEA i n C7 0 c o nc r e t e h a d o b v i o us s h r i n ka g e c o mpe n s a t i n g wh e n i t wa s i n o ut d o o r e x p os u r e ．Shri n ka g e c o mp e n s a t i ng e ffe c t o fMEA- 4 0 c o n c r e t e wa sb e tte rtha ntha t o fM EA- 1 3 3 c o n c r e t e a t t he s a me a g ean dthe s a me a mo un t o fM EA． Th e d a ta o f1 5 0d a ys s h o we d， s hri n ka g e c o mp e n - s a t i n g e ffe c t wa s pr e f e r a b l e wh e n a d d i ng wi t h 6 ％ MEA- 1 3 3 and 4％ M EA一 4 0． K e y wo r d s ： Mg O- b a s e d e x p ans i v e a g e n t ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth； d e f o r ma t i o n 0 引言 混凝土的开裂是现代混凝土工程存在的一大通病 ， 也 是诱发混凝土结构长期 耐久性 和使用寿命降低 的主要 因 素[ 1 ] 。 传统混凝土 的收缩主要是 指因表 面水分蒸发引起 的 干燥收缩 ， 当这种收缩受到外界约束时便产生约束拉应力 ， 当这种拉应力达到一定程度时便引起混凝土开裂。 对 于高 性能混凝土来说 ， 混凝土收缩除了水分蒸发引起 的干燥收 缩之外 ， 还包括混凝土 中水泥不断水化引起的 自收缩 ， 收缩 的大小与混凝 土龄期等 因素直接相关回 。 在混凝土中加入膨胀剂是 目前解决混凝土开裂 的主 要措施之一。 我 国对 Mg O混凝土的研究始于 1 9 8 2 年建成 使用的吉林 白山水电站混凝土重力拱坝[ 3 1 。 白山水电站地 处严寒地区 ， 但坝体危害性裂缝却很少。 经研究发现 白山大 坝所用水泥熟料中的 Mg O含量较高 ， 混凝土具有微膨胀性 能 ， 补偿 了混凝土的收缩和温度变形 ， 减少 了裂缝 的出现。 此后 ， 科 研人员对 Mg O水泥 与混凝土 的膨胀机理 、 Mg O 膨胀剂 的制备 、 Mg O砂浆与混凝土的各种性能、 Mg O混凝 土 的应力补偿 理论等进行 了大量研究工作 ， 取得了丰硕成 果 。 近 2 0 年来 ， Mg O混凝土 已在我国近 2 0座大中型水 利水 电工程 中成 功应用 ， 但 Mg O膨胀剂在 高强度混凝 土中的应用研究较少 。 本试验主要研 究 Mg O膨胀剂对 高 强混凝土的拌和性能、 强度和体积变形的影响。 1 原材料及 试验 方法 1 ． 1 原材料 水泥 ： 中国水泥厂海螺牌 P I I 4 2 ． 5 级水泥 ； 粗集料 ： 南 京天宁采石场 5 ～ 2 0m m 和 2 0 ~ 4 0i ／ l r n 石灰石 ； 细集料 ： 河 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 — 1 6 基金项 目： “ 十二五” 国家科技支撑计划项 目( 2 0 1 1 B A E 2 7 B 0 1 ) ； 国家重点基础研究发展计J ~ ] ( 9 7 3 计划 ) 资助项 目( 2 0 1 0 C B 7 3 5 8 0 1 ) ； 长江学者 和创新 团队发展计划“ 无机非金属材料及应用” 项 目( I R T 1 1 4 6 ) 62 砂 ， 细度 模数 为 2 ． 6 ； 粉煤灰 ： 华能 电厂 I 级 灰 ； 氧 化镁 ： ME A ． 4 0 、 ME A ． 1 3 3 ， 采用柠檬酸法测定 [9 ] 测定的活性指数 为 4 4 、 1 3 3 s ； 减水剂 ： 江苏博特新材料有 限公司产 P C A ． I 型 聚羧酸高性能减水剂 。 原材料化学成分见表 1 。 表 1 原材料的化学成分 ％ 1 ． 2试 验 方 法 试验选取活性指数 为 4 0 、 1 3 3 S 的 Mg O膨胀剂 ， Mg O 膨胀剂采用外掺方式 ， 以胶凝材料总量计掺量为 4 ％、 6 ％、 8 ％、 1 2 ％。 混凝土的配合比见表 2 。 表 2 混凝土配合 比 k g ／ m 1 ． 2 ． 1 混凝 土和易性测试和抗压强度试件 的制备与养护 坍落度和扩展度按 G B ／ T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 进行 ； 混凝土的 抗压强度按 G B ／ T5 0 0 8 1 --2 0 1 0 进行 ， 采用 1 5 0 m m x 1 5 0 mm x 1 5 0 m m 立方体试件 ， 试件置 于相对湿度为 ( 9 5 ~ 5 ) ％、 温度 为( 2 0 ~ 3 ) ℃的养护室 中养护 至测试龄期㈣， 并测试混凝土 抗压强度 。 1 ．2 ． 2 室外暴露试验用混凝土试件的制备 与养护 试验采用 规格 为 1 0 0 0 m mx 1 0 0 0 m mx l 0 0 mm 的 自 制试模 ， 所用钢板 为 Q 2 3 5 钢 ， 钢板厚度 5 m m， 试模四周离 边框 1 0 0 n l H l 处每隔 2 0 0 m m加焊铆钉 ， 如图 1 所示 。 按 照 混凝土配合 比配料后在室外成 型 ， 试 件内部埋设 v wS ． 1 0 型振弦式应变计 。 成型后覆盖薄膜养护 2 4 h 后进行室外暴 露试验 ， 试验数据采集过程 中用衡欣 A Z 9 6 7 1 温度风速仪 记录室外风速 、 温度 、 湿度 。 图 1 自制室外暴露试验模具 混凝土的应变量按式( 1 ) 计算[ 1 l l ： 8 m = k ( F - F 0 ) + ( 6 一 ) ( T - T o ) ( 1 ) 式 中： ——被测物的应变量 ， 1 0 ； —— 应变计的测量灵敏度 ， 1 0 卯 ； b ——应变计的温度修正系数， 1 0 -6 ／ ~ C； —— 被测物 的线膨胀系数 ， I O - * ／ ~ C； F 、 ——应变计 的实时测量值、 基准值 ， F ； 、 —— 温度的实时测量值、 基准值， ℃。 应变计 自身温度修正系数 b = 1 3 ． 5 1 0 ℃， 由混凝土配 合 比和强度等级可知口 ~ a = l O ． 0 ~ 1 0 4 ／ ~ C， 养护 2 4 h时应变计 测量值作为基准值。 2 结果与讨论 2 ． 1 Mg O 膨胀 剂对 C7 0混凝 土 扩展 度 与坍 落度 的 影 响 图 2为掺不 同掺量 ME A． 4 0和 ME A ． 1 3 3 混凝土 的坍 落度和扩展度 。 从 图中看到未掺 ME A混凝土初始扩展度 为 4 9 3 m m， 掺 8 ％ME A ． 4 0混 凝 土 的扩 展 度最 大 ， 达 到 5 5 0 mm。 除掺 4 ％ME A ． 1 3 3 混凝 土扩展 度小于未掺 ME A 混凝土外 ， 其余各组扩展度 均有一定改善 。 ME A掺量大于 8 ％后 ， 混凝土扩展度相 比掺 8 ％混凝 土减小 。 ME A掺量相 同时 ， 掺 ME A． 4 0混凝 土扩 展度大于掺 M E A 一 1 3 3 混凝 土 的扩展度。 ME A掺量， ％ ME A掺量／ ％ ( a ) 混凝土扩展度 ( b ) 混凝土坍落度 图 2 掺不同活性和掺量 ME A混凝土的扩展度与坍落度 6 3 未掺 ME A时混凝土的坍落度为 2 3 4 m m， 掺加 ME A 后 ， 混凝 土的坍 落度有少量改善 ， 增大量在 1 0 m m 以内 。 其 中掺 8 ％ME A一 4 0 混凝土的坍落度最大 ，为 2 4 3 mm。 ME A 掺 量 相 同 时 ，掺 ME A ． 4 0混 凝 土 坍 落度 大 于 掺 ME A ． 1 3 3 混凝土的坍落度 。 2 ．2 Mg O膨胀剂对 C 7 0混凝土抗压强度的影响 图 3为掺不 同掺量 ME A ． 4 0 和 ME A ． 1 3 3 混凝土试件 的 7 、 2 8 d 强度 ， 未掺 ME A混凝土 7 、 2 8 d 强度分别为 5 7 ． 0 、 7 2 ． 5 MP a 。 掺 ME A ． 4 0 混凝土试件 7 、 2 8 d 抗压强度均优于未 掺加 ME A混凝土试件 。 随着 ME A ． 4 0 掺量增加 ， ? 昆 凝土强 度先增大后减小。 ME A ． 4 0 掺量为 8 ％时， 混凝土 7 、 2 8 d 天强 度最高 ， 为 6 4 ． 5 、 8 1 ． 0 MP a 。 掺 1 2 ％ME A混凝土强度相比外掺 8 ％ME A试件明显下降， 这是因为 ME A掺量过高 ， 膨胀量大 于混凝土 自 身收缩 ， 试件产生了膨胀影响了试件强度 。 ME A 一 4 0 掺量， ％ - ME A一 1 3 3 掺量／ ％ 图 3 掺不同活性和掺量 ME A混凝土的7 d和 2 8 d抗压强度 掺 ME A ． 1 3 3 混凝土 中掺量 8 ％时混凝土 7 、 2 8 d 抗压 强度最高 ， 为 6 6 ． 0 、 8 3 ． 0 MP a 。 随着 ME A ． 1 3 3掺量增加 ， 混 凝土强度先增大后减小 。 ME A掺量相同时 ， 掺 ME A． 1 3 3 混 凝土 7 、 2 8 d 抗压强度均高于掺 ME A ． 4 0 混凝 土强度 。 2 ． 3 暴露环境中 c 7 0 混凝土的变形 C 7 0 混凝土成型于 2 0 1 2 年 9 月 2 8日， 对应混凝土变形 测定时间的环境相对湿度 、 温度和风速情况见图 4 。 混凝土 成型时环境温度最高 ， 为 2 0℃ ， 随后随着时间的推移环境 温度逐渐降低 ， 记录的最低时为 2 0 1 2 年 1 月 2日， 为一 2℃。 试件所处 的位置风速较 小 ， 一般都在 1 ～ 3 m／ s 之 间。 从 混 凝土成型到 1 5 0 d 之间环境相对湿度有较大波动 ，记 录的 最低湿度为 3 6 ％， 最高湿度为 8 7 ％。 图 5 为室外暴露试验条件下掺 ME A混凝土试件应变 情况。 未掺 ME A混凝土试件在 7 d 之前 快速收缩 ， 1 4 d 之 后应变逐渐趋 于稳定 。 掺 4 ％和 8 ％ME A ． 4 0 混 凝土在 7 d之后 收缩 开始减 小 ， 掺 8 ％ME A ． 4 0混凝土在 4 5 d时混凝土总形变接近 0 ， 掺 4 ％ ME A - 4 0 混凝土在 1 5 0 d时仍 未完全补偿混凝 土 自 身产生的收缩 。 掺 4 ％ME A 一 4 0 在 1 0 0 d内对 收缩补偿 效果 6 4 60 40 20 0 lc 蟊一 2 0 一 4 0 —60 —8 0 — 1 0 0 0 2 0 4 0 6 O 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 龄期 ／ d ( a ) 20 1 8 1 6 1 4 1 2交 1 0 赠 地} 8 6 4 2 0 龄 期 ／ d 图4 掺 ME A混凝土暴嚣试验环境条件 明显， 1 0 0 d以后膨补偿效果逐渐变差， 掺 8 ％ME A ． 4 0 混凝 土试件直至 1 5 0 d 试件依然能产生一定 的膨胀 。 掺 ME A ． 1 3 3 混凝土试件 7 d 之前收缩较快 ， ME A ． 1 3 3 掺量越低， 混凝土试件收缩量越大， 7 d 之后收缩减缓 。 掺8 ％ 和 1 2 ％ME A 一 1 3 3 混凝土试件从 7 d开始 出现收缩量减小 ， 掺 4 ％和 6 ％混凝土试件在 1 4 d 后收缩量开始减小 。 这是 由于高性能混凝 土 7 d之前 收缩量大 ， 外掺 ME A产生 的 膨胀量不 足以补偿混凝土 自身体积的收缩 ， 7 d 之后 混凝 80 60 4 O 20 。 髫 一 2 0 — 4 O 一6 0 —8 0 - 1 00 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 0 l 2 0 1 4 0 1 6 0 龄期／ d ( b ) 图 5 室外暴露条件下外掺 ME A混凝土试件的变形 土 自身收缩量逐 渐减小 ， ME A产生的膨胀大 于混凝土 自 身收缩 ， 混凝土总形量开始减小 。 掺 6 ％、 8 ％、 1 2 ％ME A ． 1 3 3 混凝土试件分别在 1 2 5 、 1 0 0 、 2 8 d 时应变为 0 ， 此时 ME A 一 1 3 3 产生的膨胀量基本补偿 了混凝土 的收缩 。 掺 4 ％ ME A ． 1 3 3 的混凝土试件在 1 0 0 ～ 1 5 0 d 之间体积稳定不变， 而掺量大于 4 ％的三个试件到 1 5 0 d 时 ME A依然产生膨胀。 掺 ME A ． 1 3 3 混凝土试件 中 ， 随着膨胀剂掺量 的增加 ， 膨胀剂产生的膨 胀量逐渐增大。 1 4 d时掺 4 ％ME A ． 4 0和 ME A 1 3 3 混 凝土应 变 约为 一 3 9 x l 0 和一 6 5 x 1 0 ， 1 5 0 d时 掺 8 ％ME A 4 0和 ME A． 1 3 3 混凝土应变为 4 2 x 1 0 和 2 6 x 1 0 4 , 所 以在 1 5 0 d内相 同 ME A 掺量 时活性高的 ME A ． 4 0可 以更好地 补偿 高性能混凝 土 的收缩 。 从 1 5 0 d 内数据看， 掺 6 ％ME A ． 1 3 3 和掺 4 ％ ME A ． 4 0 对混凝土的补偿效果较好。 3结 论 ( 1 ) 掺 ME A ． 4 0 和 ME A． 1 3 3 混凝土在掺量为 8 ％时 7 、 2 8 d 抗压强度最高 。 ME A掺量相 同时 ， 掺 ME A ． 1 3 3 混凝土 7 、 2 8 d 抗压强度均高于掺 ME A ． 4 0 混凝土强度 。 ( 2 ) 掺 M E A对室外暴露环境中 C 7 0 混凝 土收缩 的补 偿作用明显 ， 在 1 5 0 d时掺 ME A混凝土 比未掺 ME A混凝 土形变减少 5 0 x 1 0 以上。 随着 ME A掺量的增加 ， 膨胀剂产 生 的膨胀可 以更快补偿混凝土的收缩 ， 但掺量过高会使混 凝土产生膨胀 ， 影 响混凝土性能。 ( 3 ) 1 5 0 d内 ， 在 同龄 期 同掺量 的情况 下 ， ME A ． 4 0对 混 凝土 收缩 的补 偿 效果 优 于 ME A． 1 3 3 。 1 5 0 d内 掺 6 ％ ME A． 1 3 3和掺 4 ％ME A． 4 0 对混凝土的补偿效果较好 。 参考文献 ： [ 1 】J E NS E N A D， CH AT TE R J I S ．S t a t e o f t h e a r t r e p o r t o n mc r o c r a c k 一 上接第 5 2页 混凝土三相结构细观模型生成的新方法。 参考文献 ： [ 1 ]王宗敏， 邱志章． 混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分【 J J ． 计算力学学报， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 6 ) ： 7 2 8 — 7 3 2 ． 【 2 】 李建波， 林皋， 陈健云． 随机凹凸型骨料在混凝土细观数值模型 中配置算法研究f J 1 ． 大连理工大学学报， 2 0 0 8 ， 4 8 ( 6 ) ： 8 6 9 — 8 7 4 ． [ 3 ] 侯宇星 ， 王立成． 混凝土细观分析中随机多边形骨料生成方法叨． 建筑科学与工程学报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 4 ) ： 5 9 — 6 5 ． 【 4 ]高政国， 刘光廷． 二维混凝土随机骨料模型研究『 J 1 ． 清华大学学 报： 自然科学版， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 5 ) ： 7 1 0 — 7 1 4 ． 【 5 】 马怀发， 芈书贞， 陈厚群． 一种混凝土随机凸多边形骨料模型生 成方法[ J J ． 中国水利水电科学研究院学报 ， 2 0 0 6 ， 4 ( 3 ) ： 1 9 6 — 2 0 1 ． 【 6 ]杜成斌， 孙立国． 任意形状的混凝土骨料的数值模拟和应用f J 1 _ 水利学报， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 6 ) ： 6 6 2 — 6 6 7 ． [ 7 】7 钟根全， 李丽娟， 刘锋．混凝土二维随机骨料的数值模拟[ J ] ． 混凝 土 。 2 0 0 8 ( 9 ) ： 7 0 — 7 3 ． 【 8 ]李建波， 林皋， 陈1建云． 复杂轮廓实体内级配随机颗粒的受控填充 算法[J J Ii 辅助设计与图形学学报， 2 0 0 8 ， 2 0 ( 1 1 ) ： 1 5 2 1 — 1 5 2 6 ． i n g a n d l i f e t i me o f c o n c r e t e — p a r t N[ J 】 ． Ma t e ria l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 ) ： 3 - 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