双膨胀水泥混凝土的膨胀性能

摘要：双膨胀水泥是在中热和低热矿渣硅酸盐水泥基础上，同时利用了钙矾石与氧化镁二者的膨胀。本文对此种水泥拌制的混凝土的自生体积变形、在钢筋约束下的膨胀应力以及约束试件的强度进行了试验。结果表明，双膨胀水泥混凝土具有较好的微膨胀性，在早期与后期均能产生一定的膨胀，在钢筋约束条件下能够产生比较稳定的预压应力，约束试件的强度比没有约束时有所提高，适用于具有一定约束条件的水工混凝土。

关键词：双膨胀 混凝土 自生体积变形 预压应力

　　双膨胀水泥，包括双膨胀中热硅酸盐水泥与双膨胀低热矿渣硅酸盐水泥，其主要特点是，在中热或低热矿渣硅酸盐水泥的基础上，同时利用了水泥中钙矾石与水镁石两者膨胀，钙矾石膨胀主要发生在早期，水镁石膨胀主要发生在后期，两者取长补短，以获得适宜的膨胀量与膨胀分布^[1]。因此，双膨胀水泥不仅保留了中热或低热矿渣硅酸盐水泥低水化热等的全部优点，同时又具备较好的微膨胀性能，适合于在水利水电工程中基础约束区、导流洞及导流底孔回填等具有一定约束条件的部位中应用。

　　在浙江大学实验室研究的基础上，湖南特种水泥厂生产了一批双膨胀水泥，并由长江科学院进行全面的混凝土性能方面的试验，本文主要介绍双膨胀水泥混凝土的自生体积变形、约束条件下的膨胀应力及其强度的试验情况。

1 试验过程

1.1 配制混凝土的原材料 (1)525^＃双膨胀中热水泥和425^＃双膨胀低热矿渣水泥，由湖南特种水泥厂1997年4月生产，这两种水泥都符合中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥的国家标准GB200-1989，同时熟料中的MgO含量和水泥中石膏(SO₃)掺量较高，其中熟料中的MgO接近5.0%，水泥中石膏(SO₃)的掺量接近3.5%.该水泥强度、水化热与净浆自由膨胀率见表1.(2)粗骨料采用三峡工程使用的花岗岩人工骨料，密度为2.72g/cm³，骨料级配为三级配，大∶中∶小＝50∶20∶30.(3)细骨料以砂为主，再掺11%的石粉，密度为2.63g/cm³，细度模数为2.71.(4)外加剂，采用三峡工程使用的减水剂ZB-1和引气剂DH₉S.

1.2 混凝土配合比 分别用双膨胀中热水泥和双膨胀低热矿渣水泥配制90d龄期标号为250^＃和200^＃的混凝土，配合比见表2，减水剂掺量为0.7%，引气剂掺量为0.5/万。

1.3 试验方法 自生体积变形试验按《水工混凝土试验规程》SD105-82进行，试件尺寸为20cm×50cm的圆柱体。常规测试的养护温度为20±1℃。另外考虑到氧化镁水化反应与温度关系密切，为了了解较高温度下的膨胀性能，又作了一组前后两种温度的养护的试验，龄期40d前为20±1℃，之后为38±1℃。

表1 双膨胀水泥强度与膨胀率

表2 双膨胀混凝土配合比

　　钢筋约束膨胀应力的试件为Φ15cm×45cm的圆柱体，中部对称布置两根钢筋，钢筋两端与限制膨胀的钢板相连，在两根钢筋之间放置一电阻应变计。养护温度为20±1℃。当混凝土膨胀时，试件全端面受到两端压板的约束，试件中钢筋、混凝土与应变计三者基本一致，这样应变计测得的应变可以代表钢筋的应变，由此可推算钢筋的拉应力与混凝土的预压应力。

　　所有试件都进行了密封处理，试验过程中保持绝湿状态。所用电阻应变计的型号为DI-25，以1d龄期的测试值为基准值。

　　对两种混凝土在约束条件下养护与无约束条件下养护的抗压和劈拉强度进行对比试验，养护龄期有28d和90d，试件尺寸为10cm×10cm×10cm立方体，约束方式为特制大钢度试模，约束试件成型后带模养护至测试龄期拆模。

2 试验结果

2.1 自生体积变形 图1为M250与L200的自生体积变形随时间和养护温度的变化情况。由图可见，两者在2d龄期内自生体积膨胀率发展都较快，而后膨胀速率明显降低，养护温度提高，膨胀速率都明显加快。但较早龄期的膨胀，M250比L200要小些，而40d至180d龄期间的膨胀增量，20℃时M250比L200略小，38℃时M250比L200明显要大。

2.2 钢筋约束膨胀应力 图2为含筋率在2.0%和2.6%的条件下M250与L200的预压应力曲线。M250与L200在最初的2d龄期内都产生一个相对较大的预压应力，之后一段时间中预压应力略有下降，在10～15d左右走入低谷，过后又逐渐回升。但两者也存在差别，L200形成的低谷比M250深，走出低谷后形成的预压应力，也比M250明显要小。以含筋率都为2.6%的情况为例，M250在早期2d龄期产生的预压应力为0.089MPa，10d左右预压应力最低，约为0.082MPa，而后逐渐回升，到28d、90d和180d龄期时，预压应力分别达到0.100、0.148和0.158MPa；L200在前2d龄期产生的预压应力与M250大致相同，15d左右走入低谷，其预压应力只有0.063MPa，在28d、90d和180d龄期预压应力分别回升至0.086、0.092和0.096MPa，明显比M250小。

2.3 约束试件的强度 表3为M250与L200，在28d和90d两个龄期时，约束与无约束试件的抗压与劈拉强度，由表3可见，约束试件强度，比之于非约束试件的强度，均有不同程度的提高，抗压强度提高约15%，劈拉强度提高约9%.

表3 双膨胀水泥混凝土的强度

3 讨论

　　双膨胀水泥同时对钙矾石膨胀与氧化镁膨胀加以积极利用，早期主要是水泥中石膏与含铝矿物反应形成钙矾石产生的膨胀，后期主要是熟料中氧化镁水化形成水镁石产生的膨胀^[1]。双膨胀混凝土的自生体积变形的试验结果，也反映了早期钙矾石与后期氧化镁这二者的膨胀。钙矾石膨胀发挥很快，特别是在2d以内，2d以后虽然钙矾石膨胀还继续发挥作用，但从趋势上看，缓慢的氧化镁的膨胀实际上已逐渐开始起主导作用。

　　方镁石转变为水镁石的反应对温度十分敏感，养护温度提高，其反应速度明显加快，由此而产生的膨胀也就明显加快^[1]。这与双膨胀混凝土在前后两种温度养护的自生体积变形对比试验结果是一致的，温度提高后，双膨胀混凝土膨胀速率明显提高。由于M250采用双膨胀中热水泥，而且水泥用量也多，因此它的氧化镁含量比L200高，养护温度从20℃提高到38℃时，40d至180d龄期间膨胀增量，M250明显高于L200.混凝土膨胀速率随着温度升高而加大的特点，在实际应用时应加以注意，因为大坝混凝土结构的温度场总是不均匀的，尤其是表层混凝土，内外温差一般有十几度甚至几十度，用在这种部位，就有可能出现表面膨胀量小、内部膨胀量大的不均匀膨胀，从而可能加大表面的拉应力。

　　以混凝土的膨胀变形来补偿其收缩变形，当两者同步时，其效果最好。双膨胀混凝土组合了钙矾石与水镁石两者膨胀，其膨胀变形与大坝等大体积混凝土收缩变形^[2]的匹配上，比只有单一的钙矾石或氧化镁膨胀的情况要好。

　　如果早期膨胀变形来补偿后期温降收缩，只有膨胀变形在约束条件下产生预压应力，应变部分才能起补偿作用。由于自生不均匀降温产生的收缩应力应变，均匀膨胀变形对它的补偿效果差，甚至有可能加大某些部位的拉应力，若在局部区域增加约束条件，如布置钢筋对膨胀变形进行约束，使之产生预压应力以防止出现过大的拉应力，可起到增强补偿效果的作用。

　　双膨胀混凝土在钢筋约束下的膨胀应力曲线，与相应的自生体积变形曲线是一致的。2d以内产生相应较大的预压应力，来自对应时段内的钙矾石膨胀，之后膨胀速率减小，预压应力引起的徐变变形较大，超过膨胀变形而使预压应力减小。随后徐变变形减小，而膨胀变形速率相对稳定，使预压应力逐步回升或保持相对稳定。M250方镁石含量较高，强度也高，2d以后形成的预压应力很明显，除补偿初期预压应力松驰外，还增加了约40%的预压应力(见图2).而L200方镁石含量较低，强度也较低，在2d以后产生的预压应力，只能起到补偿初期预压应力因徐变松驰而损失的那部分。

　　双膨胀混凝土中膨胀的根源是钙矾石与水镁石，这两者的形成产生的“膨胀能”，可以表现为：(1)补偿收缩和产生外体积膨胀；(2)产生预加压应力；(3)对混凝土内部孔隙的压缩和迁移，使之结构致密化。在不同的水化硬化阶段，以及在不同的外部条件，其表现形式可以有很大的差别。双膨胀混凝土在弹模较高时，外体积膨胀作用就相对较小。而在约束条件下，“膨胀能”就会表现为产生预压力应力以及对内部孔隙变移和致密化时，其强度就当有所提高^[3]。双膨胀混凝土中，利用“膨胀能”的产生预加压应力以及致密化的作用，对改善其性能来说是十分重要的。

　　双膨胀混凝土有初期膨胀，也有后期膨胀，在约束条件下能产生比较稳定的预压应力，能够比较有效地补偿大体积混凝土的收缩。同时，双膨胀水泥也完全符合中、低热水泥的现行国家标准，保留着中、低热水泥的优点，因而可在大坝工程，尤其是基础约束区、导流洞及导流底孔回填等具有一定约束条件的部位中应用。

　　另外，从试验结果上看，双膨胀混凝土存在总的膨胀量偏小，以及钙矾石膨胀发展过快，而氧化镁膨胀又显得过于缓慢的不足之处。双膨胀混凝土膨胀量偏小，只是体现了微膨胀性，只能部分补偿大坝等大体积混凝土的收缩。钙矾石膨胀过早，由于此时混凝土弹模较低，徐变度过大，膨胀变形产生的补偿应力相对地较小，而且容易被松驰。而如果氧化镁膨胀期过长，则补偿收缩的作用较小且不易控制。因此，推迟钙矾石膨胀，加快氧化镁膨胀，增加总的膨胀量，是双膨胀水泥以后值得继续研究和完善的重要内容。

4 结论

　　(1)双膨胀混凝土的自生体积随龄期的变化均表现为膨胀，具有较快的形成钙矾石产生的膨胀和缓慢的方镁石水化产生的膨胀。(2)氧化镁膨胀对温度比较敏感，养护温度提高，膨胀速率明显增大，在实际应用时应适当注意不均匀温度场而引起的不均匀膨胀应力。(3)双膨胀混凝土在钢筋约束条件下，会产生比较稳定的预压应力。(4)双膨胀混凝土在约束条件下的强度，与无约束条件下的强度相比，有比较明显的提高。(5)总而言之，双膨胀混凝土具有较好的的膨胀特性，能够比较有效地补偿大坝等大体积混凝土的收缩，适用于具有一定约束条件的水工混凝土。

参 考 文 献：

[1] 楼宗汉，等。熟料中氧化镁的水化及其膨胀性能[J]。硅酸盐学报，1998，26(4).

[2] 中国水利水电科学研究院结构材料研究所。大体积混凝土[M]。北京：水利水电出版社，1990年。

[3] 沈威，等。水泥工艺学[M]。武汉：武汉工业大学出版社，1991年。