1、文章编号：（）高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响张占强，李顺凯，陈平，明阳，陈泓瑞，李航，王静阳，冉耀，（桂林理工大学 材料科学与工程学院，广西 桂林 ；桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 ；广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 ；有色金属矿产勘查与资源高效利用省部共建协同创新中心，广西 桂林 ；中铁十二局集团有限公司，太原 ）摘要：利用一种活性反应时间为 的高活性氧化镁膨胀剂（）掺入超高性能混凝土（），研究了其对 工作性能、力学性能和体积稳定性的影响。采用压汞法对孔隙率及孔结构进行了表征，并利用 和 对硬化砂浆的微观形貌进行了分析。结果表明，高活性 会降低 的流动性和力学性能，
2、但可明显改善早期自收缩，的最大掺量不宜超过胶凝材料总量的；会降低早龄期 的孔隙率，并细化其孔径，尤其是小于 的孔，这是导致 可以补偿 自收缩的重要原因；微观测试结果表明，在原位水化反应生成密实的 （），受到抑制的结晶将产生结晶压力，从而导致体积膨胀；由 结果可知，无胶结能力的 及其水化产物与水泥浆体的界限随龄期的增长而逐渐模糊，整体趋于密实。关键词：氧化镁膨胀剂（）；超高性能混凝土（）；孔结构；掺量；补偿收缩中图分类号：文献标识码：引言超高 性 能 混 凝 土（，）被誉为是一种在结构、性能方面能够重塑建筑行业未来的土木工程材料，具有超高的强度和优异的耐久性，它满足了工程结构向更高、更长和更深方
3、向发展的需要。然而，由于 在配制过程中具有水泥用量大、无粗骨料等特点，会产生较大的早期收缩，并由此引发收缩裂缝，制约着 的发展和应用。氧化镁膨胀剂（，）是一种可以有效补偿混凝土收缩的新型膨胀剂。我国利用 的微膨胀作用，已建成多座水电站、轻质墙、钢管混凝 土 及 地 下 管 廊 等 工 程。然 而，不 同 活 性 的 对混凝土的减缩效果差异较大。等 将不同活性的 掺入水泥浆体，发现 可以有效补偿净浆的自收缩，且掺量越多、活性越高，效果越显著。等 在砂浆中掺入不同活性的 ，发现高活性的 早期膨胀速度要快于低活性的，但膨胀停止时间也早，而低活性的 后期膨胀速率加快，总膨胀时间持续的更长。陆安群等 发
4、现，在常温养护条件下，早期的膨胀性能随着活性值增大呈指数性减小。发现提高煅烧温度至 ，死烧的 基本不会补偿早龄期混凝土的收缩，反而会导致长龄期混凝土的膨胀，危害结构物的安全。综合以上研究，不同活性的 可以补偿不同龄期混凝土的收缩。但 的收缩不同于普通混凝土或砂浆，主要表现在 的早期收缩速率更快，高收缩往往也伴随着高开裂风险。高活性的 能在短时间内产生较大的膨胀，因此考虑将其掺入，以期缓解 过大的早期自收缩。本文通过将活性反应时间为 的高活性 掺入 ，以研究其对 工作性能、力学性能和体积稳定性的影响，旨在减少 的早期自收缩。实验实验原材料实验采用兴安海螺生产的 级普通硅酸盐水泥（），及平均粒径为
5、 的硅灰（）。使用江苏某公司生产的高性能聚羧酸高效减水剂（），固含量，减水率大于。采用 目（）、目（张占强 等：高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响基金项目：广西重点研发计划项目（桂科 ）收到初稿日期：收到修改稿日期：通讯作者：李顺凯，：；陈平，：作者简介：张占强（），男，在读硕士，师承陈平教授及李顺凯教授，主要研究超高性能混凝土的制备及耐久性。）及 目（）的石英砂（）作为 的骨料。使用煅烧菱镁矿的方法制备高活性 （先烧后磨），利用柠檬酸中和反应确定的活性反应时间为，具体制备方法详见文献 。原材料的主要化学组成如表所示。表原材料的主要化学组成（质量分数）（）实验方法（）流 动性及 力学 性能 测
6、试。分 别 依 据 水泥胶砂流动度测定方法、水泥胶砂强度检验方法（）法 进行流动性及力学性能实验。（）自收缩测试。依据 （）。采用改进的 型接触式波纹管测定仪测定 自收缩，两端均装有千分表，其精度可提高一倍。每 测试一次，连续记录新鲜混凝土从浇筑至硬化成型后内的自收缩值。每个配比制作三个测试样品，取平均值作为最终测试结果。（）孔隙率及孔结构测试。磨碎至 左右的块体，用丙酮反复冲洗并浸泡 以终止水化，在 的真空干燥箱烘干至恒重，然后对试样进行压汞测试（）。仪器采用 压汞仪，将汞压力固定在 。（）微 观 结 构 分 析。采 用 （）仪器观察硬化样品的微观形态。所有样品喷金后，在 的加速电压下观察其
7、微观形貌（），在 的电压下进行能谱分析（）。实验配合比控制水胶比为，胶砂比为，以制备满足需要的，具体配合比如表所示。拌制过程如下：（）为保证 在 中的充分分散，先将 与石英砂充分混合搅拌 ；（）再加入其他粉末，均匀搅拌 ；（）随后加入水和高效减水剂慢速搅拌 ，快速搅拌 ；（）在测量流动度后，将新鲜的混凝土及时装入模具进行实验。表 配比（）（）结果与讨论 对流动度的影响在固定水胶比不变的情况下，拌合物的流动度如图所示。从图中可以看出，当 的掺量分别为、和 时，的流动度分别降低了、和 ，这说明 的流动度随 掺量的增加而减少。当 掺量为 时，流动度降低至 。由于工作性能无法得到保证，在后面的实验中也
8、将不再涉及。会降低 的流动度，主要是由于使用内掺法，相同剂量的 替代了水泥，而浆料的和易性取决于水膜覆盖颗粒的厚度。的比表面积大于水泥，因此在搅拌过程中需要比水泥消耗更多的水，以获得相似厚度的水膜，从而降低了 的流动性。图 掺量对 流动度的影响 对 力学性能的影响不同掺量的高活性 对 的抗压及抗折影响如图所示。与基准组相比，掺量分别为、时，龄期的 抗压强度分别降低了 、，抗折强度 分别降 低 了、和 。这表 明掺 入 会 对 的力学性能产生不利影响，且掺量越多影响越明显。这主要是因为 取代了水泥，而 的水化产物对力学性能的贡献明显不及水泥；另一方面，与水泥颗粒相比，本文制备的高活性 颗粒更小，
9、比表面积大，且结构疏松。因此在胶凝材料水化过程中，比水泥颗粒更容易竞争获得水分，水泥石内部可供给水泥水化的水量减少，水泥水化产物减少，进一步降低了力学性能。这也可以从图得到印证。年第期（）卷 对 自收缩的影响高活性 对 自收缩的影响如图所示。由图可知，早龄期的 具有很大的自收缩，的 自 收 缩 高 达 ，这 意 味 着 约 的自收缩发生在凝结硬化后的约。相较于的基准组，当 掺量分别为、时，基体的自收缩分别降低了 、和 。这说明高活性的 可有效补偿 的早期自收缩，且掺量越多，最终的膨胀量也越大，补偿效果越明显。然而，即使掺入的高活性 仍不能完全补偿 的自收缩，因为试件在宏观上仍然表现为收缩而非膨
10、胀。掺入 后收缩曲线的斜率基本不变，只是略小于基准组，这说明 的微膨胀与 的自收缩具有良好的适应性。图 掺量对 力学性能的影响：（）抗压强度；（）抗折强度 ：（），（）图 对 自收缩性能的影响 对孔结构的影响高活性 对龄期 孔结构的影响见图。图（）为 的孔体积增量分布曲线。由图可知，对 基体大于 的孔径影响较小，浆体的孔径主要分布在 的范围内。、和 的平均孔径分别为 ，和 ，相对应的最可几孔径分别为 ，和 ，可 见 不 同 掺 量 的 高 活 性 会使 浆体的孔径分布逐渐变小。图（）为 对 累积孔体积增量的影响。由图可知，的累积孔体积随 掺量的增加逐渐向小孔径方向偏移，总孔隙率逐渐变小。结合测
11、试结果可知，相对于基准组，当 的掺量分别为、和时，基体的总孔隙率分别减少了、和，这说明 会降低早龄期 的孔隙率，且掺量越多降低越明显。这可能是由于颗粒较小的 等量替代水泥后，浆体易于紧密堆积。此外，采用内掺法实际上也降低了 比。文献 认为，早龄期的水泥石中高 比的具有相对粗大的孔结构，大孔占比大可能是导致基准组孔隙率较大的原因之一。研究表明，小于 的孔结构与自收缩密切相关，大 于 的 孔 会对力 学 性 能 产 生 不 利 影响 。综合以上可知，高活性的 会降低 的总孔隙率，提高整体密实度。此外，还有利于细化 基体的孔径，尤其是小于 的孔，这是 可 以 补 偿 自 收 缩 的 重 要 原 因。
12、对 以上的孔径影响较小，也因此，孔结构的变化对 力学性能的影响不大。减缩机理分析图为龄期基准组、试样的 图及 样品的 图。从图中可以看到，基准组存在明显的大孔和微观裂缝。而随着高活性 的掺入，图（）中 样品结构较为密实，并无明显宏观孔和微观裂缝，这说明高活性的 及其水化产物可以有效细化 基体的孔径，减少微裂缝数量，进而补偿 的早期收缩。张占强 等：高活性氧化镁膨胀剂对 性能的影响图 对 孔结构的影响：（）孔体积增量；（）累积孔体积增量 ：（），（）图样品的微观形貌、能谱及元素分布图：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（），：（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）；（）（）
13、通过 图可以看出，富集在 基体中，这说明 几乎是在原位发生水化反应的。利用 扫描区域的元素分布如表所示。由表已知，镁元素与氧元素的比例接近于 ，这表明水化后的 ，很大一部分已反应成为 （），细小而密实的（）在 浆体的有限空间中生长，受到抑制的结晶将产生结晶压力 ，从而产生膨胀。图为图（）中区域的局部放大图。从图中也可以清楚地看到水化后的 （）微观形貌。表 元素分布 年第期（）卷图区域的放大图片及能谱图：（）放大图；（）能谱图 ：（）；（）图分别为 样品在和的扫描电镜图，从图中可以看出，随着水化反应的推进，（）逐渐被水化的水泥浆体包围（如），无胶结能力的 及水化产物与水泥浆体的微观界限逐渐模糊。
14、这也可以从图的 照片中得以印证。对 及其水化产物区域进行 扫描，微区中除了可能性较高的 （）晶体外，还有匹配度较高的 元素和 元素。高活性的 缺陷多，具有相当数量的内孔和外孔。根据 等人 的水化理论模型，在原位发生水化反应的 将产生膨胀应力，挤压部分水泥浆体向 颗粒中心浸入，及其水化产物与水泥浆体逐渐生长成密实的整体，有利于长龄期 的体积稳定。图不同龄期 样品的 照片：（）；（）：（），（）结论主要研究了高活性的 对 工作性能、力学性能及体积稳定性的影响，主要结论如下：（）的流动性及力学性能随高活性 的掺入而降低，但 可明显改善 的自收缩，掺量越大改善效果越明显，掺量为的 可降低 自收缩 ；（
15、）的孔隙率随 的掺入而降低，并对其孔径具有细化作用，尤其是小于 的孔；（）通过微观分析，在原位发生水化反应生成致密的 （），受到抑制的结晶将产生结晶压力，从而产生体积膨胀；（）由 结果可知，随龄期的增加，无胶结能力的 及其水化产物与水泥浆体的界限逐渐模糊，继而结合成为密实的整体，有利于长龄期 的体积稳定。参考文献：，（），（）：，（）：（）陈宝春，李聪，黄伟，等超高性能混凝土收缩综述交通运输工程学报，（）：，（）：（）李玲，明阳，陈平，等超高性能混凝土国内外研究与应用进展水泥工程，（）：，：，（）：（）陈昌礼，唐成书 氧化镁混凝土在东风拱坝基础中的应用及长期观测 成 果 分 析 水力发电学报，
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