管廊混凝土中镁质膨胀剂的水化与膨胀特性研究

郭成成,彭海龙

(1.山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030000;2.山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司),山西 太原 030032)

随着我国城市建设的快速发展,地下管廊建设规模举世瞩目[1]。钢筋混凝土是建设地下管廊的主要材料,地下混凝土管廊结构安全和服役寿命也逐渐引起国内外专家关注[2,3]。我国地下混凝土管廊施工方法主要为现浇法,易出现收缩变形开裂和渗漏等病害,影响管廊结构安全和使用寿命等指标,管廊变形主要有化学收缩、干缩和温降收缩变形等[4]。管廊属于地下工程,其防水等级为二级,不允许出现开裂和漏水等病害。渗漏水会引起钢筋锈蚀,影响管廊的安全运营,甚至造成坍塌事故。导致管廊混凝土结构物收缩开裂的因素较多,主要包括设计、组成材料、外加剂、施工及养护等[5,6]。

选择和掺加适宜镁质膨胀剂可有效控制和减少管廊混凝土收缩开裂[1,7],这是因为镁质膨胀剂能有效抑制和补偿管廊混凝土的收缩,也是解决管廊收缩开裂行之有效的方法,镁质膨胀剂是特别适合地下工程应用的新型膨胀剂,其膨胀源主要是MgO和CaO。

新型镁质膨胀剂在一定条件下发生水化反应,产生氢氧化镁膨胀来消除和补偿管廊混凝土的收缩变形[7-9],氧化镁与水发生化学反应生成氢氧化镁过程中,体积增大212.6%[10]。氢氧化镁受到周围环境的影响,可脱水,进而导致混凝土收缩,且在不同环境下,氢氧化镁的形状也会出现一定变化,可能引起混凝土结构物的宏观变形;在低碱环境中,氧化镁发生水化反应有极大可能生成0.3～0.4 μm针状氢氧化镁的晶体,这些晶体会向周围水泥浆体的孔洞中扩展、生长,所产生的膨胀量不大;在高碱环境中,氢氧化镁晶体呈现六方板状,晶体尺寸约为0.1～0.2 μm,会聚集在水泥浆体内某边缘处,占据原先镁质膨胀剂在混凝土中所处位置,聚集在氧化镁颗粒周围,产生较大的膨胀应力,引起混凝土局部膨胀开裂[11,12]。为了防止膨胀开裂,国内对膨胀剂掺量也有严格限制,要求不得超过12%。氢氧化镁通常情况下结构属于六方板状晶体,颗粒粒径尺寸为1.5～3 μm;镁质膨胀剂在70 ℃养护条件下水化所形成的氢氧化镁颗粒粒径尺寸约为1.5 μm,属于片状结构晶体,水化产物的形貌特征和粒径大小受制备过程中煅烧方式、养护温度等环境条件影响[13-15]。由煅烧菱镁石制备的镁质膨胀剂水化生成的氢氧化镁主要是易聚集的片状晶体,是目前研究的难点和热点[16,17]。

裂缝控制是解决管廊混凝土变形问题的关键所在,也是防止管廊渗漏、提升结构安全和使用寿命最有效的方法之一,目前国内外采用镁质膨胀剂控制混凝土管廊开裂的研究报道不多[13]。本文通过对镁质膨胀剂水化程度、不同温度下氢氧化镁的形貌特征、X射线衍射图谱分析,探讨镁质膨胀剂对管廊混凝土收缩变形补偿,为今后地下管廊裂缝控制与防水以及安全运营提供科学依据。

1 试验原材料和试验方法

1.1 试验原材料

本研究所用的镁质膨胀剂是用菱镁石经破碎、粉磨、1 200 ℃煅烧、急冷、粉磨和筛分等一系列加工处理后制备成细度为0.050～0.063 mm的粉体;试验所用水泥为52.5中热硅酸盐水泥;I级粉煤灰,来自南京某公司,性能指标均符合GB/T1596-2005中I级粉煤灰技术要求;砂采用天然河砂,细度模数为2.5;石子采用两级配玄武岩碎石,粒径在5～16 mm,其中5～10 mm和10～16 mm比为4∶6;聚羧酸减水剂来自江苏某公司,为PCA型高效能减水剂,减水率约30%～40%。试验所用的主要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

(1)镁质膨胀剂在水中水化试验样品的制备。取制备好的镁质膨胀剂样品各20 g,按水:膨胀剂样品为10∶1的比例,徐徐倒进盛有20 ℃和50 ℃水的烧杯中水化;另外取一部分膨胀剂掺到水泥中制成水泥净浆,养护28 d后在高温(216 ℃)以及高压(2 MPa)条件下进行水化,用于分析膨胀剂水化产物和水化程度。

(2)镁质膨胀剂在水泥中水化试验样品的制备。在水泥中加10%和90%制备好的镁质膨胀剂,采用0.30的水胶比成型,养护温度为20 ℃,两天后拆模,然后将试件分别放50 ℃水浴中养护到不同试验龄期。达到试验时间,取出少量不同的水化试样,放入容器中,并加入无水乙醇中止样品水化,测试分析前将经无水乙醇浸泡过的水化试样在105 ℃的烘箱中烘干,再进行热重(TG-DSC)、X-射线衍射和扫描电镜(SEM)分析。

(3)地下管廊混凝土变形试验。地下管廊混凝土变形测试方法参照《SL352-2006水工混凝土试验规程》进行,试件尺寸为55 mm×55 mm×280 mm,模具两端装有铜质测头,试件有效长度275 mm,记为L。混凝土试件成型后,在标准养护温度和湿度环境养护1 d后脱模,测试混凝土试件初始长度,记为Lc,然后将试件放在温度为20℃和95%相对湿度的条件下养护到不同龄期,测试试件长度,记为Ln,混凝土试件膨胀率(LZ)为

(1)

2 试验结果与讨论

2.1 镁质膨胀剂水化程度分析

镁质膨胀剂水化程度分析采用Netzsch公司生产的差热/热重分析仪进行,根据膨胀剂在水中的水化样的TG-DSC曲线,由氢氧化镁的失水重量和式(1)可计算出膨胀剂在不同养护温度条件下水化程度,图1为膨胀剂在20 ℃和50 ℃水中的水化程度曲线。

图1 膨胀剂在20 ℃和50 ℃水中水化

从图1中可见,养护温度升高,镁质膨胀剂的水化反应加快。如在20 ℃养护3 d时,镁质膨胀剂水化程度约为15%,养护28 d时水化程度达34%;在50 ℃养护3 d时,镁质膨胀剂水化程度达到30%,养护28 d达到71%;养护到180 d,镁质膨胀剂在20 ℃和50 ℃养护条件下水化程度分别为57%和94%。

2.2 镁质膨胀剂水化X-射线衍射分析

图2为经1 100 ℃煅烧的镁质膨胀剂(0.050～0.063 mm)在不同水化龄期的XRD图谱。

图2 不同龄期MgO水化样品XRD图谱

从图2可见,随养护龄期增加,镁质膨胀剂中MgO衍射峰逐渐减弱,Mg(OH)2衍射峰逐渐增强,说明随养护龄期增加,反应生成氢氧化镁越来越多,镁质膨胀剂水化程度逐渐增加;养护到90 d,镁质膨胀剂中MgO衍射峰很弱,说明水化程度较高;即使水化到180 d,从衍射图上可看到仍有少量MgO没有水化,说明经过高温煅烧后的镁质膨胀剂水化持续时间比较长[17]。

从图3可见,为了减少人们对掺镁质膨胀剂混凝土膨胀开裂的担心,参考国家标准对水泥安定性试验方法,在高温(216 ℃)和高压(2 MPa)下对掺4%镁质膨胀剂水泥净浆试样压蒸2 h,发现镁质膨胀剂中MgO衍射峰消失,说明镁质膨胀剂中氧化镁可完全水化成氢氧化镁。

图3 不同温压MgO水化样品XRD图谱

2.3 镁质膨胀剂水化形貌分析

图4是镁质膨胀剂在20 ℃水中水化3 d和180 d的扫描电镜形貌。

图4 膨胀剂在不同龄期下的水化形貌

由图4(a)可见,在水化早期,镁质膨胀剂的表面逐渐形成毛边,说明Mg(OH)2逐渐开始水化,水化产物呈短片状;如图4(b)可见,随养护龄期增加,镁质膨胀剂的水化程度不断加大,在膨胀剂的表面形成了越来越多的氢氧化镁,将镁质膨胀剂颗粒的表面团团围住,氢氧化镁的尺寸也逐步增大,养护到180 d后,在图中可见未水化的膨胀剂已经很少了,生成了纤维状的氢氧化镁相互交错搭接在一起,镁质膨胀剂水化产物的尺寸明显增大,宽度约在0.2～1.0 μm,长度达3～5 μm。

由图5(a)可见,在镁质膨胀剂样品中掺加少量的水泥,在50 ℃养护条件下水化180 d生成针状Mg(OH)2晶体,晶体尺寸为0.5～1 μm,呈分散状态并向周围扩散、生长,晶体产生的膨胀量较小。如图5(b)可见,在镁质膨胀剂中掺加大量水泥,在50 ℃养护条件下水化180 d,水化产物呈六方板状,晶体尺寸基本上少于0.1 μm,且聚集在水泥水化产物周围,易造成混凝土局部膨胀开裂。这可能是由于水泥掺量不同,引起水泥浆体中碱度值不同,从而导致镁质膨胀剂水化速率、形状、大小以及聚集状态的不同,也使其膨胀量大小、程度、时间等出现差异,对混凝土的收缩补偿效果不同。

图5 水泥掺量对膨胀剂180 d水化形貌影响

2.4 镁质膨胀剂对管廊混凝土变形性能的影响

根据课题组前期研究工作,管廊混凝土的单方用量分别为:水泥、粉煤灰、水、聚羧酸减水剂、河砂和石子330 kg、70 kg、150 kg、4 kg、730 kg和1 120 kg,其中水胶比和减水剂用量固定,镁质膨胀剂和聚羧酸减水剂按胶凝材料量计,膨胀剂以外掺形式加入,在计算用水量和减水剂用量时,按胶凝材料计算。图6为在标准养护温度下掺0、6%、8%和10%镁质膨胀剂的管廊混凝土模拟试件随养护龄期增加的膨胀曲线示意图。

图6 膨胀剂掺量对管廊混凝土膨胀率的影响

图6可知,未掺膨胀剂时混凝土试件产生体积收缩,随镁质膨胀剂掺量和养护龄期的增加,混凝土试件膨胀率会逐渐增加,掺10%镁质膨胀剂混凝土试件养护28 d膨胀率约为34.3×10-6,90 d的膨胀率为60.2×10-6,膨胀率增大了75.5%,养护90 d后,不同掺量的混凝土试件膨胀速率增加幅度不大,膨胀剂掺量为10%的混凝土试件在标准温度下养护120 d膨胀率为64.1×10-6,180 d的膨胀率为68.3×10-6,仅增大6.5%,随龄期的延长,膨胀速率会变得缓慢,可避免膨胀剂无限膨胀,降低管廊混凝土膨胀开裂的风险。

镁质膨胀剂的水化产物氢氧化镁可填充到管廊混凝土孔隙中,改善了管廊混凝土的密实度,同时由于氢氧化镁不溶于水,不会受地下水溶蚀影响,可提高管廊混凝土的抗渗性;由于镁质膨胀剂具有水化速率缓慢的特性,在地下潮湿环境中,吸取地下水不断水化,具有膨胀速率缓慢可控、且膨胀过程持续时间长的特征,在整个水化过程中产生的有效膨胀在一定时间基本不再变化,还可以通过改变膨胀剂掺量控制适宜的膨胀量,有效地补偿和消除管廊混凝土随混凝土养护龄期不断增加而产生的收缩开裂。

3 结束语

镁质膨胀剂的水化产物不溶于水且特性不受养护温度的影响,水化速率随着养护温度的升高而加快,通过X-射线衍射分析,发现养护龄期越长时,水化越充分,且镁质膨胀剂中氧化镁可完全水化成氢氧化镁。使用扫描电镜观察水化产物形貌,发现水化产物随着养护龄期的增长由短片状转变为纤维状。镁质膨胀剂在掺大量水泥中水化产物呈六方板状,易聚集,进而导致局部膨胀开裂,而在少量水泥中水化为针状晶体,呈分散状态向周围扩散,故使用时需要均匀掺加并进行搅拌。在混凝土中掺镁质膨胀剂,混凝土由收缩转变为微膨胀,可控制和降低地下管廊混凝土收缩变形,且膨胀率随着掺量和养护龄期的增加逐渐增加,同时速率逐渐变平缓,可有效地减少管廊混凝土膨胀开裂,避免地下管廊胀裂现象出现,有效抑制和消除地下管廊开裂问题,提升地下管廊结构的安全和服役寿命。