微膨胀混凝土的性能研究

刘 波 杨立富 吴魁基

1. 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司科学试验研究院 云南 昆明 650033

2. 承德宝通电力有限公司 河北 承德 067000

在水电站工程中，填塘、洞井塞混凝土四周受基岩约束，降温产生的温度应力较大，容易把结合面拉开，影响结构的整体性及稳定性[1-3]。为此，开展微膨胀混凝土的性能研究。为设计提供可靠的微膨胀混凝土配合比性能参数。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

（1）胶凝材料

红塔滇西水泥股份有限公司生产的42.5级中热硅酸盐水泥；

宣威火电厂Ⅰ级粉煤灰。

（2）骨料

孔雀沟石料场黑云花岗片麻岩和角闪斜长片麻岩混合的人工骨料，混合比例（体积比）为：黑云:角闪=75%:25%，试验采用生产性成品碎石和人工砂进行。

（3）外加剂

选用浙江龙游五强混凝土外加剂有限责任公司生产的ZB-1A型减水剂和上海麦斯特建材有限公司生产的AEA202引气剂复合。

（4）膨胀剂

①辽宁海城东方滑镁公司生产的氧化镁MgO（不要求做化学分析）；

②江西武冠新材料股份有限公司生产的WG-HEA高效抗裂型防水剂；

③重庆市江北特种股份有限公司生产的ZY①型普通混凝土膨胀剂。

1.2 试验方法

混凝土试验参照《水工混凝土配合比设计规程》DL/T 5330-2005和《水工混凝土试验规程》DL/T 5150-2001方法进行。

2 试验结果与分析

2.1 膨胀剂掺粉煤灰性能试验

2.1.1 水泥双掺粉煤灰、膨胀剂胶砂强度

掺用宣威火电厂Ⅰ级粉煤灰。

试验结果表明：在42.5级中热硅酸盐水泥中单掺30%粉煤灰，28天抗压强度比为77.7%；后期随着粉煤灰二次水化的作用强度增加较快，即90天抗压强度比为102.6%。

水泥在掺入30%粉煤灰后分别复掺膨胀剂水泥性能如下：

（1）分别复掺2%、5% MgO，28天抗压强度比分别为72.0%、65.2%，28天抗压强度比较单掺粉煤灰的分别降低5.7%、12.5%；90天抗压强度比分别为93.9%，84.0%，强度比分别降低9.7%、18.6%。随着MgO掺量的增加胶砂抗压强度降低越大。

（2）分别复掺8% WG-HEA防水剂、ZY①膨胀剂，28天抗压强度比分别为71.5%、70.2%， 90天抗压强度比分别为92.7%、93.2%；较掺单掺粉煤灰的分别降低6.2%~9.9%。

2.1.2 双掺粉煤灰、膨胀剂胶砂限制膨胀率

（1）分别复掺2%、5%MgO，水中7天限制膨胀率分别为0.0057%、0.0069%，28天限制膨胀率分别为0.0068%、0.0082%；空气中21天限制膨胀干缩率分别为-0.0007%、-0.0050%。

（2）复掺8%WG-HEA，水中7天、28天限制膨胀率分别为0.0089%、0.0198%，空气中21天限制膨胀干缩率为-0.0095%。

（3）复掺8%ZY①，水中7天、28天限制膨胀率分别为0.0259%、0.0310%，空气中21天限制膨胀率为0.0074%。

试验结果表明：

（1）双掺粉煤灰、MgO，当MgO掺量从2%增加到5%，水中7天、28天的限制膨胀率，后者较前者增加1.21倍。

（2）水泥中掺入30%粉煤灰复掺8% ZY①膨胀剂胶砂，在水中限制膨胀率7天、28天分别是复掺8%WG-HEA防水剂的2.91倍、1.57倍；是复掺2%MgO的4.54倍、4.56倍。试件在空气中21天，除复掺ZY①膨胀剂仍为膨胀外，其余均为收缩型。

（3）三种膨胀剂的限制膨胀率从大到小的顺序为ZY①、WG-HEA、MgO。

2.1.3 水泥及双掺粉煤灰、膨胀剂胶砂干缩率

从试验结果来看，红塔42.5级中热硅酸盐水泥中单掺30%的Ⅰ级粉煤灰，胶砂干缩率略有降低，表明粉煤灰有抑制胶凝材干缩的性能。水泥中双掺粉煤灰及膨胀剂，胶砂干缩率较单掺粉煤灰的大。胶砂干缩率变化大小顺序为：净水泥> ZY①> WG-HEA > MgO（掺量5%）> MgO（掺量2%）>单掺粉煤灰。

2.1.4 水泥及双掺粉煤灰、膨胀剂水化热

（1）未掺掺合料中热水泥1天、3天、7天的水化热分别为168.31kJ/kg、240.75 kJ/kg、285.18 kJ/kg。

（2）中热水泥单掺30%宣威Ⅰ级粉煤灰，1天、3天、7天的水化热分别为115.30kJ/kg、172.71 kJ/kg、211.23 kJ/kg。

（3）中热水泥掺入30%宣威Ⅰ级粉煤灰复掺2%MgO， 1天、3天、7天的水化热分别为115.52kJ/kg、171.80kJ/kg、216.36 kJ/kg。

（4）中热水泥掺入30%宣威Ⅰ级粉煤灰复掺5%MgO， 1天、3天、7天的水化热分别为119.51kJ/kg、174.47kJ/kg、216.54 kJ/kg。

（5）中热水泥掺入30%宣威Ⅰ级粉煤灰复掺8%WGHEA，1天、3天、7天的水化热分别为120.62kJ/kg、188.90kJ/kg、218.75 kJ/kg。

（6）中热水泥掺入30%宣威Ⅰ级粉煤灰复掺8% ZY①， 1天、3天、7天的水化热分别为118.97kJ/kg、183.04kJ/kg、216.04 kJ/kg。

结果表明，中热水泥单掺30%的宣威Ⅰ级粉煤灰，水化热显著降低，双掺粉煤灰及膨胀剂，水化热较单掺粉煤灰的略大，但明显低于净水泥的水化热。

2.2 混凝土配合比设计

经试拌调整，满足混凝土拌合物技术指标的配合比列于表1。

表1 混凝土配合比表

2.3 混凝土性能

2.3.1 限制膨胀率和限制收缩率

双掺粉煤灰及膨胀剂四级配混凝土，水中14天限制膨胀率在0.2×10-4-0.6×10-4之间，其中最大的为复掺WGHWA、ZY①混凝土。空气中28天限制收缩率在0.2×10-4-0.5×10-4之间，最小的为复掺2%MgO的混凝土。

双掺粉煤灰及膨胀剂二级配混凝土，水中14天限制膨胀率在0.5×10-4-1.0×10-4之间，最大的为复掺ZY①混凝土。空气中28天限制收缩率在0.3×10-4-0.7×10-4之间，最小的为复掺ZY①的混凝土，表明ZY①膨胀剂对湿度最为敏感。

2.3.2 线膨胀系数和自生体积变形

双掺粉煤灰及膨胀剂四级配混凝土线膨胀系数在8.663×10-6/℃-9.315×10-6/℃之间，二级配混凝土线膨胀系数在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之间，线膨胀系数偏大，主要与花岗岩骨料有关。

混凝土的自生体积变形，主要是水泥水化过程中，水泥晶体成分的体积变化和水化胶状生成物与晶体生成物的体积变化有关。

从自生体变试验结果和曲线可以看出，掺30%粉煤灰复掺膨胀剂混凝土自生体积变化趋势均为膨胀性体积变形。复掺MgO的混凝土早期膨胀速度小于复掺WG-HEA和ZY①的混凝土，后期则缓慢增长；而复掺WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨胀较快，7天内膨胀基本结束，中、后期保持膨胀状态。

2.3.3 混凝土约束试验

（1）两向约束

由现有试验结果及约束应力曲线表明：四级配混凝土中复掺8%ZY①的混凝土两向约束应力相对较大，随龄期的增长呈现应力增加的趋势，而掺2%MgO的混凝土两向约束应力相对最小；二级配混凝土中复掺8%WG-HEA和8%ZY①的混凝土两向约束应力相对较大，复掺8%WG-HEA的约束应力早期应力较大，随龄期的增长应力有降低的趋势，复掺8% ZY①的约束应力却随龄期的增长略有增大。而掺2%MgO的混凝土两向约束应力相对最小。

（2）三向约束

四级配和二级配混凝土中复掺8%ZY①的混凝土三向约束应力相对较大，且随龄期的增长呈现应力增大的趋势，在四级配混凝土中复掺2%MgO的三向约束应力最小，在二级配混凝土中复掺MgO约束应力也随龄期的增长呈现应力增大的趋势。

3 结束语

①在42.5级中热硅酸盐水泥中掺30%粉煤灰后复掺膨胀剂胶砂的限制膨胀率从大到小的顺序为ZY①>WGHEA> MgO。

②42.5级中热硅酸盐水泥及双掺Ⅰ级粉煤灰、膨胀剂后，胶砂干缩率变化大小顺序为：净水泥> ZY①> WG-HEA> MgO（掺量5%）> MgO（掺量2%）>单掺粉煤灰。

③42.5级中热硅酸盐水泥采用30%的Ⅰ级粉煤灰等量取代水泥后，水化热显著降低。水泥在掺入粉煤灰后再复掺膨胀剂，水化热较单掺粉煤灰的略大，但明显低于净水泥的水化热。

④限制膨胀率和限制收缩率

双掺粉煤灰及膨胀剂四级配混凝土水中14天限制膨胀率，最大的为复掺 WG-HWA、ZY①的混凝土。空气中28天限制收缩率最小的为复掺2%MgO的混凝土。

双掺粉煤灰及膨胀剂二级配混凝土水中14天限制膨胀率，最大的为复掺ZY①的混凝土。空气中28天限制收缩率最小的为复掺ZY①的混凝土。

⑤线膨胀系数和自生体积变形

双掺粉煤灰及膨胀剂的四级配混凝土线膨胀系数在8.663×10-6/℃-9.496×10-6/℃之间，双掺粉煤灰及膨胀剂二级配混凝土线膨胀系数在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之间。

混凝土自生体变试验结果表明，双掺粉煤灰及膨胀剂混凝土自生体积变化趋势均为膨胀型。复掺MgO的混凝土早期膨胀速率小于复掺WG-HEA和ZY①混凝土，后期仍缓慢增长；而复掺WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨胀较快，7天内膨胀基本结束，中、后期略有收缩。就膨胀量而言，复掺MgO的混凝土膨胀量较小，且随掺量及龄期的增加膨胀量增大，180天尚未稳定；在复掺膨胀剂混凝土中，复掺ZY①的膨胀量最大。

⑥约束应力

就现有的试验结果来看，复掺ZY①的混凝土两向、三向约束应力相对较大，且随龄期的增长呈现应力增大的趋势，复掺MgO的混凝土约束应力与掺量成正比，掺量越大，应力越大。