粉煤灰对MgO混凝土长龄期自生体积变形的影响

颜少连 陈昌礼

摘要：为了探索粉煤灰对MgO混凝土长龄期自生体积变形的影响规律，在室内测试了长达4 a龄期的不同粉煤灰掺量的MgO混凝土的自生体积变形，并从部分试件中钻孔取芯进行电镜扫描观测及能谱分析。结果表明：随着龄期的延长，粉煤灰对MgO混凝土的长龄期自生体积膨胀变形的抑制作用增强，且粉煤灰对一、二级配MgO混凝土的长龄期自生体积膨胀变形的抑制作用强于三级配MgO混凝土。同时，掺入适量粉煤灰后，长龄期MgO混凝土的微观结构更加致密。

关键词：MgO混凝土；粉煤灰；自生体积变形；微观结构；电镜扫描

中图分类号：TV431 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0153-05

Abstract：In order to explore the influence of fly ash on the long-term autogenetic volume deformation of concrete mixed with magnesium oxide（MgO），the long-term autogenetic volume deformation of up to 4-year-old MgO concrete specimens with different contents of fly ash was measured，and cores were taken from part of specimens for scanning election microscopy（SEM）and energy spectrum detection.The results showed that the longer the time was，the stronger the inhibitory effect of fly ash on autogenetic volume deformation of MgO concrete was，and it was strongest for one-grade MgO concrete，followed by the two-grade MgO concrete and three-grade MgO concrete.The microstructure of MgO concrete with fly ash in proper content was densified gradually with ages.

Key words：MgO concrete；fly ash；autogenetic volume deformation；microstructure；scanning election microscopy

大体积混凝土在服役过程中，会不同程度地出现裂缝，导致混凝土工程抗裂能力降低。有些贯穿性裂缝甚至会危及整个工程的安全。1980年，美国学者P K Mehta和Pirtz将氧化镁（MgO）作为膨胀剂掺入大体积混凝土中，研究了MgO的膨胀性能并做了混凝土试验，指出利用MgO水化产生的膨胀变形可以补偿大体积混凝土的温降收缩[1-2]。从20世纪70年代以来，国内不少学者对外掺 MgO混凝土的膨胀性能作了大量研究，包括MgO掺量、粉煤灰掺量、骨料级配、水灰比、水泥品种、养护条件、温度等对混凝土自生体积变形的影响。方坤河和李承木指出，粉煤灰的掺入降低了外掺MgO混凝土自生体积变形[3-4]。

研究表明[5]，在混凝土工程中外掺MgO的同时也掺入适量的粉煤灰可以达到更好的工程效果。近年来优质粉煤灰的产量大幅度提高，包括三峡工程在内的国内大中型水利水电工程多使用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰，取得了巨大的技术、经济和社会效益。在混凝土中掺粉煤灰，不仅有利于保护环境，节约水泥，降低混凝土的水化热温升，简化混凝土的温控措施，实现快速施工，而且粉煤灰的形态效应、微集料效应和火山灰效应能改善混凝土性能，提高混凝土的耐久性[6-9]。

但是，粉煤灰对MgO混凝土的长龄期自生体积变形影响如何，至今鲜见报道。为此，本文对比分析了长达4a龄期的掺与不掺粉煤灰的MgO混凝土的自生体积变形，并从试件中钻孔取芯进行电镜扫描观测及能谱分析，以探索粉煤灰对MgO混凝土长龄期自生体积变形及其内部结构的影响。

1 试验

1.1 试验用原材料

（1）水泥。所用水泥为贵州水城生产的拉法基P·O 42.5普通硅酸盐水泥。其密度为3.06 g/cm³，比表面积为355 m²/kg，标准稠度用水量为27%，安定性合格，水泥的主要化学成分见表1。

（2）粉煤灰。所用粉煤灰为贵州安顺发电厂的Ⅱ级粉煤灰。其需水量比为94.80%，烧失量为4.12%，细度（0.045 mm筛的筛余）为15.60%，达到《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范（DL/T 5050-2007）》和《水工混凝土施工规范（DL/T 5144-2001）》的要求，其主要化学成分检测结果见表2。

（3）氧化镁。所用氧化镁为辽宁省海城市东方滑镁公司生产。其密度为3.394 g/cm³，活性指数为219 s，品质符合《水利水电工程轻烧氧化镁材料品质技术要求（试行）》。其主要化学成分见表3。

（4）骨料。所用骨料为贵州某水电站工地的人工砂和碎石。

（5）外加剂。重庆三圣公司生产的萘系高效减水剂，其品质符合现行标准。

1.2 试验配合比

实验室用于拌制混凝土的配合比见表4。该配合比使用的原材料相同，水灰比为0.55，骨料级配为一级、二级、三级，粉煤灰掺量为0、30%，MgO掺量为0、5%、7%。拌和混凝土时，通过调节外加剂的掺量来控制拌合物达到相同的坍落度（70～90 mm）。

1.3 试验方法

（1）试验按照现行《水工混凝土试验规程（SL 352-2006）》[10]进行。成型混凝土自生体积变形试件时，在试件密封前，试件桶中心位置垂直埋入用于测读数据的差动式应变计。试件密封后，将其放置于恒温（20±2 ℃）、绝湿的环境中。

（2）从满4 a龄期的混凝土代表试件中钻取芯样（约10 g），制成直径10 mm、厚2～3 mm的试样，用JSM-6490LV扫描电镜及INCA-350能谱仪对其进行微观检测。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

根据试验结果，统计出典型龄期的MgO混凝土自生体积变形值，并绘制出相应的自生体积变形过程线，见表5及图1-图3。同时，将2 a及4 a龄期的混凝土芯样（SL3、SL6）的SEM形貌（放大500倍）及能谱结果汇总于图4-图7。

2.2 试验结果分析

（1）从表5、图1-图3看出，不管混凝土是否掺入粉煤灰，也不管是一级配、二级配还是三级配混凝土，掺MgO混凝土的收缩量总是比不掺MgO混凝土的低。例如，在龄期1 a及4 a，掺MgO的三级配混凝土的自生体积变形为-13.1×10-6和-32.1×10-6，不掺MgO的三级配混凝土自生体积变形为-40.3×10-6和-70.8×10-6，即掺MgO的三级配混凝土的收缩量比不掺MgO三级配混凝土降低了27.2×10-6、38.7×10-6。这说明，本试验的MgO混凝土的自生体积变形测值虽为负值，它仅表示本试验所掺MgO引起的膨胀量没能抵消未掺MgO混凝土的收缩量，且并未改变MgO混凝土的延迟微膨胀特性[11-13]。

（2）从表5及图1-图3可以看出，在28 d龄期，不掺粉煤灰的一级配、二级配及三级配MgO混凝土的自生体积变形为-1.7×10-6、8.0×10-6、-2.6×10-6，掺入30%粉煤灰后变形增至-0.5×10-6、12.0×10-6、-2.4×10-6，这与文献[14]中粉煤灰使MgO混凝土的早期自生体积变形增大的结论一致。但是，随着龄期的延长，MgO混凝土的自生体积变形发生了转变。例如，在1 a龄期，一级配、二级配及三级配MgO混凝土的自生体积变形由不掺粉煤灰时的-6.0×10-6、9.5×10-6、-13.1×10-6分别降至掺30%粉煤灰时的-33.9×10-6、-16.1×10-6、-36.4×10-6；在4 a龄期，由不掺粉煤灰时的-20.2×10-6、9.3×10-6、-32.1×10-6分别降至掺30%粉煤灰时的-54.8×10-6、-12.0×10-6、-49.8×10-6。这说明，粉煤灰对MgO混凝土自生体积变形的影响由早期的促进作用转变为后期的抑制作用，且随龄期的延长，抑制作用增强。

随着龄期的延长，粉煤灰的火山灰效应得以充分发挥，混凝土的后期强度和抗压弹性模量增大[15]，在相同MgO膨胀能作用下所表现的混凝土自生体积膨胀变形降低。也有学者认为，粉煤灰改变了水泥浆体的碱度，进而影响MgO水化产物Mg（OH）2晶体的大小及所处位置，使得MgO膨胀能受到约束[16]；陈胡星等通过实验研究指出，粉煤灰的玻璃微珠形态有利于吸收MgO的膨胀能，从而使有效膨胀应力减小[17]。

（3）从图1-图3还可看出，粉煤灰对一、二级配MgO混凝土的长龄期自生体积膨胀变形的抑制作用强于三级配MgO混凝土。如在1 500 d时，掺30%粉煤灰的一级配、二级配及三级配MgO混凝土的自生体积变形测值分别比不掺粉煤灰时减少34.6×10-6、21.3×10-6、17.7×10-6。这是因为混凝土的粗骨料颗粒越少，混凝土的振实性越好，粉煤灰的火山灰效应又进一步提高了混凝土的密实性，导致粉煤灰对少粗颗粒MgO混凝土膨胀变形的抑制作用强于多粗颗粒MgO混凝土。

（4）从MgO混凝土2 a及4 a龄期的SEM形貌（放大500倍）及能谱图（图4-图7）看出，不管是一级配还是二级配混凝土，当掺入30%的粉煤灰后，随着龄期的延长，MgO混凝土的微观结构更加致密。

混凝土内部结构特征与界面过渡区的厚度密切相关[18-20]。本文可能是因为粉煤灰在达到4年的长龄期时没有全部水化完，则未水化的部分粉煤灰和早期已经水化的水化产物形成网络状整体，增加了界面过渡区的厚度，在一定程度上改善界面结构，从而提高混凝土的密实度。随着龄期的延长，粉煤灰与水泥水化产物Ca（OH）2 发生二次水化反应时，降低了混凝土内部的不利Ca（OH）2 晶体。文献[21]、[22]也指出，对掺粉煤灰的水泥基材料而言，粉煤灰中铝硅玻璃体（主要化学成分为SiO2、Al2O3）在碱性条件下解体，即消耗了Ca（OH）2，导致水化产物Ca（OH）2含量降低。另一方面，随着龄期的延长，粉煤灰的火山灰反应继续进行，混凝土内部生成更多的水化胶凝产物并填充到混凝土的孔隙中，最终导致MgO混凝土的微观结构更加致密。

3 结语

（1）MgO混凝土的延迟微膨胀特性是客观存在的，不因掺与不掺粉煤灰，或者随龄期的延长而改变。

（2）随着龄期的延长，粉煤灰对MgO混凝土自生体积变形的影响由早期的促进作用转变为后期的抑制作用。

（3）粉煤灰对不同级配MgO混凝土的长龄期自生体积变形的抑制作用不同，表现为对一、二级配MgO混凝土的抑制作用强于三级配MgO混凝土。

（4）随着龄期的延长，掺入适量粉煤灰后的MgO混凝土的微观结构更加致密。

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