外掺氧化镁混凝土的变形特性研究.pdf

第 4 2卷 第 4期 2 0 1 1年 2月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 42 No 4 F e b， 2 01 1 文 章 编 号 ： 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 1 ) 0 40 0 8 80 3 外掺氧化镁混凝土的变形特性研究 陈 霞 ， 杨 华 全 ， 李 家 正 ( 1 长 江科学院 材 料与结构研究所 ， 湖北 武 汉 4 3 0 0 1 0 ； 2 武汉大学 土木建筑工程 学院 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ) 摘要 ： 在混凝土 中掺氧化锓可提 高混凝土抗裂性。试验研究 了外掺氧化镁混凝土的弹性模量、 极 限拉伸值、 干 缩率、 自生体积 变形等 变形性能， 并探讨分析 了氧化镁 对混凝土 变形性能的影 响机理。试验 结果表明 ， 外掺氧 化镁的混凝土弹性模量与未掺的基本相当， 极 限拉伸值和干缩率小幅 降低 ， 自生体积变形从 收缩转为微膨胀 。 总的来说 ， 掺入氧化镁可以在一定程度土改善 混凝土的 变形特性 ， 有利于提 高混凝土的抗 裂能力。 关键词 ： 氧化镁 ；变形性能 ； 混凝土抗裂；机理分析 中 图 法分 类 号 ：T V 4 3 1 文 献 标 志码 ：A 外 掺氧化镁混 凝土筑 坝技术就 是利用 外掺氧化 镁 在水泥水 化过程 中 的变形 特性 ， 使 混凝 土产 生延 迟性 “ 微 膨胀 ” 变形 ， 在 约 束 条件 下 产 生预 压 应 力 ， 部 分 补 偿 或抵 消大体积混 凝 土 由于 温 降收缩 产 生 的拉 应力 ， 从 而提高 混凝土抗 裂能力 。 鉴于外 掺氧化镁 混凝 土筑坝技术 的显著优 势和广 阔应用前 景 ， 有关科 技人 员 从 多方 面开 展 了外 掺 氧化 镁 混凝土性 能的研究 工作 。李 承木等人 侧重 于观测氧 化镁 混凝 土 自生 体 积变 形 的长 龄期 试 验 结果 ， 结 果表明， 经过长达 1 0 a 及 2 0 a的水化， 氧化镁混凝土 的长期变形 曲线趋 于收敛 ， 变形 过程 中未产 生 回缩 或 急剧膨 胀 现象 。 陈 昌礼 针 对 氧化 镁 混 凝 土 的膨 胀 特 性 ， 提出 了氧化镁 混凝 土 自生 体 积变 形 的反 正切 曲线 模 型 ， 并 以 此 推 算 氧 化 镁 混 凝 土 的 长 期 膨 胀 变 形 值 。朱伯 芳 院士 结合工程 实际 ， 考 察 了氧化 镁含量 、 混 凝土温度 、 室 内外 差 别 等对 自生 体 积 变形 的影 响 。 。 。 上述研究多集中于氧化镁混凝土的 自生体积变形， 而 对其他变 形性能关 注不足 ， 因此 ， 本 文通过试 验研究 了 氧化镁混凝 土的 弹性模 量 、 极 限拉 伸 值 、 干缩 、 自生体 积变形等 变形特性 ， 旨在帮 助工 程 人员 全 面 了解 氧化 镁 混凝土 的变形特性 。 1 试验原材料及配合比 1 1 原 材 料 试验 采用 的主要 原材 料 为峨 眉 山低镁 4 2 5中热 硅 酸盐水 泥 、 贵州 宣威 电厂 I级 粉煤 灰 及江 苏博 特 沸 腾窑生产的轻烧氧化镁。水泥和粉煤灰的物理性质和 化学 成分 分别 见表 1 、 表 2 、 表 3 ， 氧 化镁 的 活性指 数 为 2 1 0 s ， 细度 为 6 ( 8 0 m筛 ) 。外 加 剂有 缓凝 高 效减 水剂 Z B1 A和 引气剂 A I R 2 0 2 ， 其检 测 结果 均满 足要 求。细骨料采用溪洛渡灰岩人工砂 ， 细度模数为2 7 6 ， 属于中砂 ； 粗骨料采 用溪 洛渡玄武岩碎石 ， 符合 D L T 5 1 4 42 0 0 1 水 工混凝 土施 工规 范 对粗 骨料 的技 术 要求 。 表 1 水泥的物理力学性能指标 比 表面 积 l l J 凝 结时 间 ( h ： m i n ) 水 化 热 ( k J k g ) 抗 折 强度 M P 目抗压 强 度 M P a g弼 ， ( m k g 一 ) 初 凝 终 凝 3 d 7 d 3 d 7 d 2 8 d 3 d 7 d 2 8 d 2 9 7 2 3 3 ：0 6 4 ： 0 8 2 0 1 2 5 1 4 3 5 6 8 1 1 8 4 2 5 0 4 2 5 中热( 低镶) 1 2 配 合 比 按 照 D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 水 工 混凝 土试 验 规程 进 收稿 日期 ： 2 0 1 00 90 3 基金项 目： 国家 自然科学基金 重点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) ； 公 益性行业科研专项资金项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ( Y WF 0 9 0 7 ) 作者简介 ： 陈 霞， 女 ， 博 士， 主要从事建筑材料 的研究工作。E ma i l ： c h e n x i a m a i l c r s r i e t l 第4期 陈 霞， 等 ： 外掺 氧化镁 混凝 土的变形特性研 究 8 9 行试 验 ， 试 验时 控制坍 落度 4 06 0 m m， 调 整 引气 剂掺 量 以使 混凝 土 含 气 量 达 到 4 5 5 5 。每 方 混 凝 土材料 用量 ( 单 位 k g m ) 见 表 4， 其 中 闸 墩 z区 三级 配骨料 配合 比为 大石 - 中石 ： 小 石 =5 0 ： 2 0 ： 3 0 ； 大 坝 A 区 四级 配骨料 配合 比为 特大 石： 大 石： 中石： 小石 = 3 0 ： 2 0 ： 2 5 ： 2 5 。考虑 氧化 镁 的 3个 膨胀 控 制 指 标 ( 即膨 胀 起 始时 间 、 膨 胀量 和膨 胀结 束时 间 ) 及 强 度设 计 要求 ， 选 择 6 的氧化镁 掺量 进行 对 比试 验 。 表 2粉 煤 灰 的 物 理 力 学 性 能 指标 细度 需水量E 比表面积 烧失量含水 量S O 3 密度 抗压强度 ( 4 5 m筛) ( m k g 一 ) ( g c m。)3 d 7 d 2 8 d 2 试验结果 与讨论 2 1 弹性模量 本 次试验 混凝 土 的弹性模 量试 验结果 见 表 5 。 表 5 掺 氧 化 镁 混 凝 土 抗 拉 弹 性 模 量 编 号 。 由表 5可 知 ， 9 0 d龄 期 内混 凝 土 的抗 拉 弹 模 增 长 很快 ， 1 8 0 d龄 期 之 后 均趋 于稳 定 。在 整 个 测 试 龄期 内 ， 外 掺 6 氧化镁 对混凝 土 的 弹性模 量 影 响 甚微 ， 氧 化镁 混凝 土与基 准混凝 土抗 拉弹 模基 本相 当 。升 温养 护有 利于提 高 氧化镁混 凝 土的 弹性模 量 。 2 2极限拉伸 变形 大坝 A区和 闸 墩 z区混 凝 土 极 限拉 伸 变 形 试 验 结果 见 图 1 。 由 图 l可知 ， 混凝 土 的极 限拉 伸值 在 2 8 d内均增 长很 快 ， 2 8 d龄 期时 各 混凝 土 的极 限 拉伸 值 变 化 范 围 为 51 0 。1 8 0 d龄期后 各混 凝土 的极 限拉伸值 基 本趋 于稳定 ， 保 持微 增 长 。与 1 8 O d龄期 相 比 ， 经 过 1 a 水化 龄期 的混 凝土极 限拉 伸值 均增 长缓慢 ， 掺人 6 氧化镁 后混 凝土极 限拉 伸值 略有 降低 。锦屏水 电站施 工 中 为 使 混 凝 土 具 有 微 膨 胀 性 ， 也 掺 人 了 一 定 量 的 Mg O， 但是 是 超 量 取 代 ； Mg O掺 量 为 3 ， 4 时 ， 混 凝 土 的极 限拉 伸值分 别增 长 了 4 x 1 0 ， 9 X 1 0 。 龄期 d ( a)大坝 区 图 1 混 凝土 的极 限拉 伸 值 2 3 干 缩 变 形 不 同氧 化镁掺 量 时混凝 土 的干 缩率 见 图 2 。 由图 可 知 ， 氧化镁 对 混 凝 土 早 期 干 缩 影 响 甚 微 ， 9 0 d龄 期 后 氧化镁 混凝 土 的干缩率 略小 于不掺 氧化镁 的基 准混 凝 土 。经 过 1 a水 化 龄期 ， 掺 入 6 氧 化镁 后 ， A 区混 凝 土 的干 缩 率 减小 3 41 0， 闸墩 z区混 凝 土 干缩 率减小 3 21 0。外掺氧化镁混凝土的干缩率 比普 通 混凝 土要小 l 5 2 2 E 8 。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 ， 对 于 混凝 土 抗裂 有利 。 2 4 自生体积变形 0 6 掺量 时混 凝 土 的 自生 体 积 变形 见 图 3 。外 掺 6 氧 化镁 时 ， A区 和 z区 混凝 土 的 体 积变 形 均 从 收缩 转为 微膨 胀 ； 9 0 d水 化 龄 期 内 ， 不 掺 氧 化 镁 混 凝 土 的 自生 体积 变形 减缩 速 率 较快 ， 最 大 减 缩 变形 分 别 为 1 2 4 X 1 0 和 1 4 9 7 X 1 0； 氧 化 镁 混凝 土在 9 0 d 水化 龄期 内基本呈 线性 膨胀 ， 之后 膨胀 速率放 缓 ， 但 在 整个测 试 龄期 内混凝 土 仍 继续 保 持 膨胀 增 长 趋 势 ； 氧 如 m 帅 加 一 。 。 ) 晕 噬 一 _0 1 )旱 晕 9 0 人 民 长 江 2 0 1 1正 化镁混凝 土 的后期 膨胀还有 待进 一步继续 观测 。 龄期 d 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 f 0 一 错 姆 一 2 0 0 3 0 0 4 0 0 1 0 0 宝一 2 0 0 I3 。 。 姆 一4 0 0 - 5 0 0 图 2 Mg O混凝 土的 干 缩 变 形 2 。，一 趣 ： 图 3 Mg O混 凝 土 的 自 生体 积 变 形 2 5机 理 分 析 氧化镁 水化产 生 体积 膨胀 ， 存 在 一个 有 效膨 胀 能 的概念 ， 即一 部 分膨 胀 能 被 强 度 吸 收 ， 一 部分 膨 胀 能用于调 整水泥石 孔结 构 ， 一 部分 膨胀 能 用 于补偿 混 凝 土 的收缩 ， 最后还 有一 部 分膨 胀 能 以混 凝土 体 积膨 胀 的形式表现 出来 ， 也 只有这 最 后一 种 膨胀 能 才是 氧 化 镁混凝土 的有效膨 胀 能。文 献 1 O 表 明 ， 在 水 泥石 与 骨料界 面区 ， 晶体 的排 列具 有 很 强 的取 向性 且孔 洞 较 多 ， 这对混凝 土 的界 面粘 结将 产 生不 利 影 响。对 于 氧化镁 混凝 土 ， 由于水 泥 石与 骨 料界 面 区 的水灰 比相 对较 大 ， 更有利 于方镁石 的缓慢水 化 ， 随着 水化程度 的 深入 ， 越来 越多 的水 镁 石 晶体 在 界 面 区定 向排 列 。 所 以水镁 石 晶体 的生长发 育会在一 定程度 上填充部 分 孑 L 隙 ， 改善 混凝土 结构密实 度 ， 有利 于弹性模 量和强度 的增 长 、 减 小 干缩 ； 但 由于界面 区中晶体 高度定 向生 长 且 尺寸大 ， 易使界 面破坏 发生在 晶体 内部 ， 会 加剧界 面 区的 晶体取 向排列 程 度 ， 使 混 凝 土在 承受 外 部拉 应力 时易破坏 ， 故掺氧化镁后混凝土极限拉伸值略有降低。 3结 论 ( 1 )外掺 6 氧化镁对混凝土的弹性模量影响不 大 。 ( 2 )混 凝土 的极 限 拉伸 值 在 2 8 d龄 期 内增 长较 快 ， 外掺 6 氧化 镁可小 幅降低混 凝土 1 a龄期 的极 限 拉伸值 。外 掺 氧 化镁 对 混 凝 土 的 早期 干缩 率影 响甚 微 ， 但经过 1 a水化龄期， 掺氧化镁混凝土的干缩率小 于未掺 的混凝 土 。 ( 3 )不掺 氧化镁 时 ， 混凝 土 的 自生 体 积变 形均 表 现为 收缩状态 ， 最大 收 缩 率 出现 在 9 0 d左 右 ； 外 掺 氧 化 镁后 ， 混凝 土体积变形 由收缩 状转变 为微膨胀 ， 掺入 6 氧化镁 后 ， A区 和 z区混凝 土 的 9 0 d龄 期 自生 体 积 变形分 别增长 了 3 8 4 X 1 0 。和 2 2 9 X 1 0 。 参考 文献 ： 1 杨华全 ， 周守贤 掺氧化镁混凝 土力学性能试验研 究 J 人 民长 江 ， 1 9 9 3， 2 4( 4)： 4 95 4 2 刘数华 ， 方坤河 Mg O混凝土 自生体积 变形的数学模型 J 水力 发电学报 ， 2 0 0 6 ， 2 5 ( 1 ) ： 8 1 8 4 3 李承木， 袁 明道 氧化镁 混凝 土 自生体积 变形 的长期试验研究成 果 J 水力发 电， 2 0 0 4， ( 1 0 ) ： l 7 2 4 4 李承木 ，杨元慧 氧化镁混凝土 自生体积 变形的长期试验观测结 果 J 水利学报 ， 1 9 9 9 ， 6 5 ( 3 ) ： 5 45 8 5 陈昌礼 ， 冯林安， 方坤 河 氧化镁混凝土 自生体积 变形的反正切曲 线模型 J 水力发 电学报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 4 ) ： 1 0 6 1 1 0 6 朱伯 芳 论微 膨胀 混凝 土筑 坝技 术 J 水 力发 电 学报 ， 2 0 0 0 ， ( 3)： 1一l 2 7 李承木 沙牌 电站基础 深槽回填 外掺 Mg O混凝 土研 究 R 成 都 ： 中 水顾 问 集 团城 都 勘 测 设 计研 宄院 科研 所 ， 1 9 9 5 8 陈昌礼 ， 李承木 氧化镁混凝土的研 究与应 用 J 混凝土 ， 2 0 0 6 ， ( 5)： 4 95 3 9 柏红元 ， 邓敏 ， 唐 明述 外掺轻烧氧化镁混凝土的膨胀研究 J 科 技 导 报 ， 2 0 0 8 ， 2 6 ( 1 0 ) ： 6 1 6 4 1 0 胡明德 ，余其俊 集料 与硅酸盐 水泥石 界面区的若干研究 J 武汉3 7- 业 大学学报 ， 1 9 9 2， 1 4 ( 2 ) ： 1 11 8 1 1 徐 琼 外掺氧化镁 混凝土 筑坝技 术探 讨 J 人 民长江， 2 0 0 8， 3 9 ( 8)： 5 25 3 ( 编 辑 ： 郑 毅 ) l 下转第 9 4页) 区 助 0 吨 0 xv 圳皿 9 4 人 民 长 江 2 0 1 1年 S t u d y o n e f f e c t s o f s i n k i n g pi l e wi t h he a v y ha mm e r a nd l o w d r o p d i s t a nc e o r l i g ht ha mm e r wi t h hi g h dr o p di s t a n c e W ANG J i c h e ng ，ZHOU Xi a ng y a n g ，LI U Ho n g me i l，XI AO Xi n y i n g ( 1 T a i z h o u V o c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e ，T a i z h o u 3 1 8 0 0 0，C h i n a； 2 A r c h i t e c t u r a l Qu a l i t y S u p e r v i s i o n De p a r t me n t o f We n l i n g，We n l i n g 3 1 7 5 0 0， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n o r d e r t o a n a l y z e t h e me c h a n i c a l me c ha ni s m o f ha mme r e d p i l e i n t h e p r o c e s s o f pi l e s i n ki n g a n d i mp r o v e t he c o g - n i t i o n o f p r o c e s s o f p i l e s i n ki n g a n d h a mme r we i g h t s e l e c t i o n t h e o r e t i c a l l y，t h e l a ws o f mo me n t u m c o n s e r v a t i o n a n d k i n e t i c e ne r g y c o ns e r v a t i o n a s we l l a s t h e f i n i t e e l e me n t me t h o d a r e u s e d t o a n a l y z e t h e e ne r g y l o s s a n d t h e i n flu e n c e o f h a mme r qu a l i t y wi t h e q u a l h a mme r i n g e n e r g y o n t h e ma xi mu m c o mp r e s s i v e s t r e s s di s t r i b ut i o n o f pi l e，t h e h a mme r i n g t i me a n d pe ne t r a t i o n de g r e e I t i s s h o wn t h a t t h e h e a v i e r t h e ha mme r i s，t he l e s s t h e r a t e o f e n e r g y l o s s i s Th e he a v y h a mme r wi t h l o w dr o p d i s t a n c e wi l l r e du c e t h e ma x i mum s t r e s s o f pi l e t o p a n d t h e i nc r e a s e t h e ma x i mum c o mp r e s s i v e s t r e s s o f l o we r pa r t o f t he pi l eAs a r e s ul t ，t h e h a m me r i n g t i me i s pr o l o ng e d s i g ni f i c a nt l y a n d t h e pe ne t r a t i o n d e g r e e i s i nc r e a s e d o bv i o u s l y Ke y wor d s：h e a v y ha mme r wi t h l o w d r o p d i s t a n c e；d r o p d i s t a n c e；s t r e s s o f pi l e b o dy；h a mme r i n g t i me；pe n e t r a t i o n de g r e e 上接第 9 O页 ) S t u dy o n d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o n c r e t e mi x e d wi t h M g O CHEN Xi a ， YANG Hu a q u a n 。 ，L I J i a z h e n g ( 1 Ma t e r i a l a n d S t r u c t u r e D e p a r t m e n t ， C h a n g fi a n g R i v e r S c i e n t c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， W u h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g，Wu h a n Un i v e r s i t y，Wu h a n 4 3 0 0 7 2，C h i n a ) Abs t r a c t ： I n c o r po r a t i n g Mg O i n t o c o n c r e t e c a n i mp r o v e i t s c r a c k r e s i s t a nc e W e c a r r y o ut a n e x p e r i me n t a l s t u dy o n d e r ma t i o n p r o p e r t i e s o f c o nc r e t e mi x e d wi t h Mg O，i n c l u d i n g e l a s t i c mo du l u s，u l t i ma t e t e ns i o n，d r y i n g s h r i n k a g e a n d a u t o g e n o us v o l u me c ha ng e，a n d di s c u s s t h e i n flu e n c e me c ha ni s m o f Mg O o n d e f o r ma t i o n p r o p e rti e s o f c o nc r e t e Th e r e s u l t s s h o w t ha t ，t he e l a s t i c mo d u l u s o f mi x e d c o n c r e t e i s ba s i c a l l y t h e s a me a s t he n o r ma l o n e s ，a n d t he u l t i ma t e t e ns i o n a nd dryi n g s h r i n k a g e s h o w a s l i g h t d e c r e a s e，wh i l e t he a ut o g e o us v o l ume c ha n g e i s t r a ns f o r me d f r o m s hr i nk a g e t o s l i g h t e x p a n s i o nGe n e r a l l y s pe a ki n g，t he i n c o r po - r a t i o n o f Mg O i n t o c o n c r e t e c a n i mp r o v e t he d e f o r ma t i o n p r o p e rti e s o f c o n c r e t e，a n d i s f a v o r a b l e t o i n c r e a s i ng t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f c o nc r e t e Ke y wor d s： M g O ；d e f o r ma t i o n p r o p e r t i e s；c o n c r e t e r es i s t a n c e；me c h a n i s m a na l y s i s 简 讯 ， ， ， 中 央 一 号 文 件 要 求 到2 02 0 年 水 利 建 设 基 本 建 成 四 大 体 系 2 0 l 1年 中央一号文件提 出一个 总 的 目标 ， 即力争通过 5 a 1 0 a努力 ， 从 根 本 上 扭 转水 利 建 设 明 显 滞 后 的局 面 。文 件 提 出到 2 0 2 0年基本建成 四大体系： ( 1 )到2 0 2 0年基本建成防洪抗旱减灾体 系。“ 十二五” 期 间在继续实施大江大河治理的 同时， 基本 完成重点 中小河流 重 要河段治理 ， 让全 国小型病 险水 库全部摘 除“ 病 帽” ， 全面 完成 山洪 灾害 易发 区预警 预 报 系 统建 设 。 ( 2 )基 本 建 成 水 资 源 合 理 配 置 和 高 效 利 用 体 系 。 全 国年 用 水 总量 力 争 控制 在 6 7 0 0亿 m 以 内 ， 城 乡供 水 保 证 率 显著 提 高 ， 城 乡居 民饮 水 安 全 得 到 全 面 保 障 ， 万 元 国 内 生 产 总值 和 万 元 工 业增 加值 用 水 量 明 显 降低 ， 农 田灌 溉 水 有 效 利 用 系 数 提 高 到 0 5 5以上， “ 十 二五” 期间新增 农田有效灌 溉面 积 2 6 6 7万 h m 。 ( 3 )基本建成 水资源保 护和 河湖健康 保障体 系。主要江 河湖泊水功能 区水质 明 显改善 ， 主 要水质 指标 达标 率提 高 到 6 0 。城镇供水水源地水质全面达标 ， 重 点区域 水土流失得到 有 效 治 理 ， 地 下 水超 采 基 本 得 到遏 制 。 ( 4 )基本建成 有利于水 利科 学发展 的制度体 系。最严格 的水资源管理制度基本建立， 水利投入稳定增长机 制进 一步完 善， 有利于水资源 节约和合 理配置 的水价形 成机 制基本建 立， 水 利 工程 良性 运 行 机 制基 本 形 成 。 (长 江 )