顏少連 陳昌禮

摘要：為了探索粉煤灰對(duì)MgO混凝土長(zhǎng)齡期自生體積變形的影響規(guī)律，在室內(nèi)測(cè)試了長(zhǎng)達(dá)4 a齡期的不同粉煤灰摻量的MgO混凝土的自生體積變形，并從部分試件中鉆孔取芯進(jìn)行電鏡掃描觀測(cè)及能譜分析。結(jié)果表明：隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰對(duì)MgO混凝土的長(zhǎng)齡期自生體積膨脹變形的抑制作用增強(qiáng)，且粉煤灰對(duì)一、二級(jí)配MgO混凝土的長(zhǎng)齡期自生體積膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于三級(jí)配MgO混凝土。同時(shí)，摻入適量粉煤灰后，長(zhǎng)齡期MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

關(guān)鍵詞：MgO混凝土；粉煤灰；自生體積變形；微觀結(jié)構(gòu)；電鏡掃描

中圖分類號(hào)：TV431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

大體積混凝土在服役過(guò)程中，會(huì)不同程度地出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致混凝土工程抗裂能力降低。有些貫穿性裂縫甚至?xí)＜罢麄€(gè)工程的安全。1980年，美國(guó)學(xué)者P K Mehta和Pirtz將氧化鎂（MgO）作為膨脹劑摻入大體積混凝土中，研究了MgO的膨脹性能并做了混凝土試驗(yàn)，指出利用MgO水化產(chǎn)生的膨脹變形可以補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮[1-2]。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)外摻 MgO混凝土的膨脹性能作了大量研究，包括MgO摻量、粉煤灰摻量、骨料級(jí)配、水灰比、水泥品種、養(yǎng)護(hù)條件、溫度等對(duì)混凝土自生體積變形的影響。方坤河和李承木指出，粉煤灰的摻入降低了外摻MgO混凝土自生體積變形[3-4]。

研究表明[5]，在混凝土工程中外摻MgO的同時(shí)也摻入適量的粉煤灰可以達(dá)到更好的工程效果。近年來(lái)優(yōu)質(zhì)粉煤灰的產(chǎn)量大幅度提高，包括三峽工程在內(nèi)的國(guó)內(nèi)大中型水利水電工程多使用Ⅰ、Ⅱ級(jí)粉煤灰，取得了巨大的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在混凝土中摻粉煤灰，不僅有利于保護(hù)環(huán)境，節(jié)約水泥，降低混凝土的水化熱溫升，簡(jiǎn)化混凝土的溫控措施，實(shí)現(xiàn)快速施工，而且粉煤灰的形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)能改善混凝土性能，提高混凝土的耐久性[6-9]。

但是，粉煤灰對(duì)MgO混凝土的長(zhǎng)齡期自生體積變形影響如何，至今鮮見(jiàn)報(bào)道。為此，本文對(duì)比分析了長(zhǎng)達(dá)4a齡期的摻與不摻粉煤灰的MgO混凝土的自生體積變形，并從試件中鉆孔取芯進(jìn)行電鏡掃描觀測(cè)及能譜分析，以探索粉煤灰對(duì)MgO混凝土長(zhǎng)齡期自生體積變形及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用原材料

（1）水泥。所用水泥為貴州水城生產(chǎn)的拉法基P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。其密度為3.06 g/cm³，比表面積為355 m²/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27%，安定性合格，水泥的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（2）粉煤灰。所用粉煤灰為貴州安順發(fā)電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰。其需水量比為94.80%，燒失量為4.12%，細(xì)度（0.045 mm篩的篩余）為15.60%，達(dá)到《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范（DL/T 5050-2007）》和《水工混凝土施工規(guī)范（DL/T 5144-2001）》的要求，其主要化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

（3）氧化鎂。所用氧化鎂為遼寧省海城市東方滑鎂公司生產(chǎn)。其密度為3.394 g/cm³，活性指數(shù)為219 s，品質(zhì)符合《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求（試行）》。其主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

（4）骨料。所用骨料為貴州某水電站工地的人工砂和碎石。

（5）外加劑。重慶三圣公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑，其品質(zhì)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)配合比

實(shí)驗(yàn)室用于拌制混凝土的配合比見(jiàn)表4。該配合比使用的原材料相同，水灰比為0.55，骨料級(jí)配為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)，粉煤灰摻量為0、30%，MgO摻量為0、5%、7%。拌和混凝土?xí)r，通過(guò)調(diào)節(jié)外加劑的摻量來(lái)控制拌合物達(dá)到相同的坍落度（70～90 mm）。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)按照現(xiàn)行《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程（SL 352-2006）》[10]進(jìn)行。成型混凝土自生體積變形試件時(shí)，在試件密封前，試件桶中心位置垂直埋入用于測(cè)讀數(shù)據(jù)的差動(dòng)式應(yīng)變計(jì)。試件密封后，將其放置于恒溫（20±2 ℃）、絕濕的環(huán)境中。

（2）從滿4 a齡期的混凝土代表試件中鉆取芯樣（約10 g），制成直徑10 mm、厚2～3 mm的試樣，用JSM-6490LV掃描電鏡及INCA-350能譜儀對(duì)其進(jìn)行微觀檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出典型齡期的MgO混凝土自生體積變形值，并繪制出相應(yīng)的自生體積變形過(guò)程線，見(jiàn)表5及圖1-圖3。同時(shí)，將2 a及4 a齡期的混凝土芯樣（SL3、SL6）的SEM形貌（放大500倍）及能譜結(jié)果匯總于圖4-圖7。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）從表5、圖1-圖3看出，不管混凝土是否摻入粉煤灰，也不管是一級(jí)配、二級(jí)配還是三級(jí)配混凝土，摻MgO混凝土的收縮量總是比不摻MgO混凝土的低。例如，在齡期1 a及4 a，摻MgO的三級(jí)配混凝土的自生體積變形為-13.1×10-6和-32.1×10-6，不摻MgO的三級(jí)配混凝土自生體積變形為-40.3×10-6和-70.8×10-6，即摻MgO的三級(jí)配混凝土的收縮量比不摻MgO三級(jí)配混凝土降低了27.2×10-6、38.7×10-6。這說(shuō)明，本試驗(yàn)的MgO混凝土的自生體積變形測(cè)值雖為負(fù)值，它僅表示本試驗(yàn)所摻MgO引起的膨脹量沒(méi)能抵消未摻MgO混凝土的收縮量，且并未改變MgO混凝土的延遲微膨脹特性[11-13]。

（2）從表5及圖1-圖3可以看出，在28 d齡期，不摻粉煤灰的一級(jí)配、二級(jí)配及三級(jí)配MgO混凝土的自生體積變形為-1.7×10-6、8.0×10-6、-2.6×10-6，摻入30%粉煤灰后變形增至-0.5×10-6、12.0×10-6、-2.4×10-6，這與文獻(xiàn)[14]中粉煤灰使MgO混凝土的早期自生體積變形增大的結(jié)論一致。但是，隨著齡期的延長(zhǎng)，MgO混凝土的自生體積變形發(fā)生了轉(zhuǎn)變。例如，在1 a齡期，一級(jí)配、二級(jí)配及三級(jí)配MgO混凝土的自生體積變形由不摻粉煤灰時(shí)的-6.0×10-6、9.5×10-6、-13.1×10-6分別降至摻30%粉煤灰時(shí)的-33.9×10-6、-16.1×10-6、-36.4×10-6；在4 a齡期，由不摻粉煤灰時(shí)的-20.2×10-6、9.3×10-6、-32.1×10-6分別降至摻30%粉煤灰時(shí)的-54.8×10-6、-12.0×10-6、-49.8×10-6。這說(shuō)明，粉煤灰對(duì)MgO混凝土自生體積變形的影響由早期的促進(jìn)作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘囊种谱饔?，且隨齡期的延長(zhǎng)，抑制作用增強(qiáng)。

隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰的火山灰效應(yīng)得以充分發(fā)揮，混凝土的后期強(qiáng)度和抗壓彈性模量增大[15]，在相同MgO膨脹能作用下所表現(xiàn)的混凝土自生體積膨脹變形降低。也有學(xué)者認(rèn)為，粉煤灰改變了水泥漿體的堿度，進(jìn)而影響MgO水化產(chǎn)物Mg（OH）2晶體的大小及所處位置，使得MgO膨脹能受到約束[16]；陳胡星等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究指出，粉煤灰的玻璃微珠形態(tài)有利于吸收MgO的膨脹能，從而使有效膨脹應(yīng)力減小[17]。

（3）從圖1-圖3還可看出，粉煤灰對(duì)一、二級(jí)配MgO混凝土的長(zhǎng)齡期自生體積膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于三級(jí)配MgO混凝土。如在1 500 d時(shí)，摻30%粉煤灰的一級(jí)配、二級(jí)配及三級(jí)配MgO混凝土的自生體積變形測(cè)值分別比不摻粉煤灰時(shí)減少34.6×10-6、21.3×10-6、17.7×10-6。這是因?yàn)榛炷恋拇止橇项w粒越少，混凝土的振實(shí)性越好，粉煤灰的火山灰效應(yīng)又進(jìn)一步提高了混凝土的密實(shí)性，導(dǎo)致粉煤灰對(duì)少粗顆粒MgO混凝土膨脹變形的抑制作用強(qiáng)于多粗顆粒MgO混凝土。

（4）從MgO混凝土2 a及4 a齡期的SEM形貌（放大500倍）及能譜圖（圖4-圖7）看出，不管是一級(jí)配還是二級(jí)配混凝土，當(dāng)摻入30%的粉煤灰后，隨著齡期的延長(zhǎng)，MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征與界面過(guò)渡區(qū)的厚度密切相關(guān)[18-20]。本文可能是因?yàn)榉勖夯以谶_(dá)到4年的長(zhǎng)齡期時(shí)沒(méi)有全部水化完，則未水化的部分粉煤灰和早期已經(jīng)水化的水化產(chǎn)物形成網(wǎng)絡(luò)狀整體，增加了界面過(guò)渡區(qū)的厚度，在一定程度上改善界面結(jié)構(gòu)，從而提高混凝土的密實(shí)度。隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰與水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2 發(fā)生二次水化反應(yīng)時(shí)，降低了混凝土內(nèi)部的不利Ca（OH）2 晶體。文獻(xiàn)[21]、[22]也指出，對(duì)摻粉煤灰的水泥基材料而言，粉煤灰中鋁硅玻璃體（主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3）在堿性條件下解體，即消耗了Ca（OH）2，導(dǎo)致水化產(chǎn)物Ca（OH）2含量降低。另一方面，隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰的火山灰反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，混凝土內(nèi)部生成更多的水化膠凝產(chǎn)物并填充到混凝土的孔隙中，最終導(dǎo)致MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）MgO混凝土的延遲微膨脹特性是客觀存在的，不因摻與不摻粉煤灰，或者隨齡期的延長(zhǎng)而改變。

（2）隨著齡期的延長(zhǎng)，粉煤灰對(duì)MgO混凝土自生體積變形的影響由早期的促進(jìn)作用轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘囊种谱饔谩?/p>

（3）粉煤灰對(duì)不同級(jí)配MgO混凝土的長(zhǎng)齡期自生體積變形的抑制作用不同，表現(xiàn)為對(duì)一、二級(jí)配MgO混凝土的抑制作用強(qiáng)于三級(jí)配MgO混凝土。

（4）隨著齡期的延長(zhǎng)，摻入適量粉煤灰后的MgO混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Mehta P K，Pirtz D.Magnesium oxide additive for producing self stress in mass concrete.Proceedings of the 7th International Congress on the Chemistry of Cement[C].Paris：Vol.III，1980：6-9.

[2] Mehta P K.Mechanism of expansion associated with ettringite formation[J].Cement and Concrete Research，1973，3（1）：1-6.

[3] 方坤河.過(guò)燒氧化鎂的水化及其對(duì)混凝土自生體積變形的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23（4）：46-49.（FANG Kun-he.Hydration of burnt MgO and its impact on autogenous volume deformation of concrete[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2004，23（4）：46-49.（in Chinese））

[4] 李承木，李曉勇.銅頭水電站外摻MgO混凝土的性能研究[J].廣東水利水電，2003 （3）：1-3.（Li Cheng-mu，LI Xiao-yong.Study on Tongtou MgO concrete hydropower[J].Guangdong Water Resources and Hydropower，2003 （3）：1-3.（in Chinese））

[5] 王沖，楊長(zhǎng)輝，錢覺(jué)時(shí)，等.粉煤灰與礦渣的早期反應(yīng)放熱行為及其機(jī)理[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2012，4（1）：24-27.（WANG Chong，YANG Chang-hui，QIAN Jue-shi，et al.Behavior and mechanism of pozzolanic reaction heat of fly ash and ground granulated blastfurnace slag at early age[J].Journal of the Chinese Ceramic Society，2012，4（1）：24-27.（in Chinese））

[6] 敬相海，肖寶懷，江涵.大摻量粉煤灰混凝土性能研究[J].混凝土，2002 （1）：41-43.（JING Xiang-hai，XIAO Bao-huai，JIANG Han.Research on properties of concrete made with high volume fly ash cement[J].Concrete，2002 （1）：41-43.（in Chinese））

[7] 劉愛(ài)新.粉煤灰的性能與應(yīng)用[J].混凝土，2001 （12）：6-8.（LIU Ai-xin.Performance and application of fly ash concrete[J].Concrete，2001 （12）：6-8.（in Chinese））

[8] 閻培渝，胡瑾.大體積底板混凝土施工技術(shù)路線選擇[J].施工技術(shù)，2013，42（24）：32-34.（YAN Pei-yu，HU Jin.Options for mass floor concrete construction technology[J].Construction Technology，2013，42（24）：32-34.（in Chinese））

[9] 韓方暉，閻培渝，周予啟.大體積底板混凝土配合比優(yōu)化及性能研究[J].混凝土世界，2014，（57）：90-93.（HAN Fang-hui，YAN Pei-yu，ZHOU Yu-qi.Mix optimization and performance research of mass floor concrete[J].China Concrete，2014，（57）：90-93.（in Chinese））

[10] SL352-2006.水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程 [S].2006.（SL352-2006.Hydraulic concrete testing procedures [S].2006.（in Chinese））

[11] 李承木.氧化鎂微膨脹混凝土的變形特性研究[J].水電站設(shè)計(jì)，1990 （2）：1-8.（LI Cheng-mu.Deformation characteristics of MgO slight expansive concrete[J].Design of Hydroelectric Power Station，1990 （2）：1-8.（in Chinese））

[12] 李承木.外摻氧化鎂混凝土快速筑壩技術(shù)綜述[J].水利水電科技進(jìn)展，2013，33（5）： 82-87.（LI Cheng-mu.Review of quick damming technology of MgO concrete[J].Advances in Science and Technology of Water Resources，2013，33（5）：82-87.（in Chinese））

[13] Chartterji S.Mechanism of expansion of concrete due the presence of dead～burnt CaO and MgO[J].Cement and Concrete Research，1995 （1）：51-56.

[14] 陳昌禮，方坤河，蔣君，等.粉煤灰對(duì)外摻氧化鎂混凝土自生體積變形的影響[J].混凝土，2012，5（22）：67-69.（CHEN Chang-li，F(xiàn)ANG Kun-he，JIANG Jun，et al.Influence of fly ash concrete on autogenic volume change of concrete mixed with MgO[J].Concrete，2012，5（22）：67-69.（in Chinese））

[15] 張?jiān)銎?，張波，閻培渝，?大摻量粉煤灰混凝土長(zhǎng)齡期的微觀結(jié)構(gòu)[J].電子顯微學(xué)報(bào)，2014，33（6）：516-520.（ZHANG Zeng-qi，ZHANG Bo，YAN Pei-yu.et al.Long-term microstructure of high volume fly ash concrete[J].Journal of Chinese Electron Microscopy Society，2014，33（6）：516-520.（in Chinese））

[16] 李承木.高摻粉煤灰對(duì)氧化鎂混凝土自生體積變形的影響[J].四川水力發(fā)電，2000，19（8）：72-74.（LI Cheng-mu.Effects on autogenous volume deformation of MgO concrete with high fly ash[J].Sichuan Water Power，2000，19（8）：72-74.（in Chinese））

[17] 陳胡星，馬先偉.粉煤灰對(duì)氧化鎂微膨脹水泥膨脹性能的影響及其機(jī)制[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，28（2）：182-185.（CHEN Hu-xing，MA Xian-wei.Effects of fly ash on expansion of MgO expansive cement and its mechanism[J].Journal of Materials Science and Engineering，2010，28（2）：182-185.（in Chinese））

[18] Chen H S，Sun W，S troeven P，et al.Overestim ation of the interface thickness around convex-shaped grain by sectional analysis[J].Acta Materialia，2007，55（11）：3943-3949.

[19] E lsharief A，Cohen M D，O lek J.Influence of aggregate size，water cement ration and age on the microstructure of the interfacial transition zone[J].Cement and Concrete Research，2003，33（11）：1837-1849.

[20] S crivener Karen L.Back scattered election in aging of cement microstructures understanding and quantification[J].Cement and Concrete Composites，2004，26（8）：935-945.

[21] Xu Aimin，Shondeep L Sarkar.Microslruclural study of gypsum aclivaled fly ash hydration in cement paste[J].Cement and Concrete Research，1991，（21）：1137-1147.

[22] 李清海，姚燕，孫蓓.粉煤灰對(duì)水泥基材料熱膨脹性能影響的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（8）：18-20.（LI Qing-hai，YAO Yan，SUN Bei.Investigation on behavior of fly ash to thermal expansion of cement[J].Journal of Wuhan University of Technology，2009，31（8）：18-20.（in Chinese））