劉 波 楊立富 吳魁基

1. 中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司科學(xué)試驗(yàn)研究院 云南 昆明 650033

2. 承德寶通電力有限公司 河北 承德 067000

在水電站工程中，填塘、洞井塞混凝土四周受基巖約束，降溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力較大，容易把結(jié)合面拉開(kāi)，影響結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性[1-3]。為此，開(kāi)展微膨脹混凝土的性能研究。為設(shè)計(jì)提供可靠的微膨脹混凝土配合比性能參數(shù)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1）膠凝材料

紅塔滇西水泥股份有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥；

宣威火電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰。

（2）骨料

孔雀溝石料場(chǎng)黑云花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖混合的人工骨料，混合比例（體積比）為：黑云:角閃=75%:25%，試驗(yàn)采用生產(chǎn)性成品碎石和人工砂進(jìn)行。

（3）外加劑

選用浙江龍游五強(qiáng)混凝土外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZB-1A型減水劑和上海麥斯特建材有限公司生產(chǎn)的AEA202引氣劑復(fù)合。

（4）膨脹劑

①遼寧海城東方滑鎂公司生產(chǎn)的氧化鎂MgO（不要求做化學(xué)分析）；

②江西武冠新材料股份有限公司生產(chǎn)的WG-HEA高效抗裂型防水劑；

③重慶市江北特種股份有限公司生產(chǎn)的ZY①型普通混凝土膨脹劑。

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土試驗(yàn)參照《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》DL/T 5330-2005和《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5150-2001方法進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨脹劑摻粉煤灰性能試驗(yàn)

2.1.1 水泥雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂強(qiáng)度

摻用宣威火電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥中單摻30%粉煤灰，28天抗壓強(qiáng)度比為77.7%；后期隨著粉煤灰二次水化的作用強(qiáng)度增加較快，即90天抗壓強(qiáng)度比為102.6%。

水泥在摻入30%粉煤灰后分別復(fù)摻膨脹劑水泥性能如下：

（1）分別復(fù)摻2%、5% MgO，28天抗壓強(qiáng)度比分別為72.0%、65.2%，28天抗壓強(qiáng)度比較單摻粉煤灰的分別降低5.7%、12.5%；90天抗壓強(qiáng)度比分別為93.9%，84.0%，強(qiáng)度比分別降低9.7%、18.6%。隨著MgO摻量的增加膠砂抗壓強(qiáng)度降低越大。

（2）分別復(fù)摻8% WG-HEA防水劑、ZY①膨脹劑，28天抗壓強(qiáng)度比分別為71.5%、70.2%， 90天抗壓強(qiáng)度比分別為92.7%、93.2%；較摻單摻粉煤灰的分別降低6.2%~9.9%。

2.1.2 雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂限制膨脹率

（1）分別復(fù)摻2%、5%MgO，水中7天限制膨脹率分別為0.0057%、0.0069%，28天限制膨脹率分別為0.0068%、0.0082%；空氣中21天限制膨脹干縮率分別為-0.0007%、-0.0050%。

（2）復(fù)摻8%WG-HEA，水中7天、28天限制膨脹率分別為0.0089%、0.0198%，空氣中21天限制膨脹干縮率為-0.0095%。

（3）復(fù)摻8%ZY①，水中7天、28天限制膨脹率分別為0.0259%、0.0310%，空氣中21天限制膨脹率為0.0074%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）雙摻粉煤灰、MgO，當(dāng)MgO摻量從2%增加到5%，水中7天、28天的限制膨脹率，后者較前者增加1.21倍。

（2）水泥中摻入30%粉煤灰復(fù)摻8% ZY①膨脹劑膠砂，在水中限制膨脹率7天、28天分別是復(fù)摻8%WG-HEA防水劑的2.91倍、1.57倍；是復(fù)摻2%MgO的4.54倍、4.56倍。試件在空氣中21天，除復(fù)摻ZY①膨脹劑仍為膨脹外，其余均為收縮型。

（3）三種膨脹劑的限制膨脹率從大到小的順序?yàn)閆Y①、WG-HEA、MgO。

2.1.3 水泥及雙摻粉煤灰、膨脹劑膠砂干縮率

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，紅塔42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥中單摻30%的Ⅰ級(jí)粉煤灰，膠砂干縮率略有降低，表明粉煤灰有抑制膠凝材干縮的性能。水泥中雙摻粉煤灰及膨脹劑，膠砂干縮率較單摻粉煤灰的大。膠砂干縮率變化大小順序?yàn)椋簝羲? ZY①> WG-HEA > MgO（摻量5%）> MgO（摻量2%）>單摻粉煤灰。

2.1.4 水泥及雙摻粉煤灰、膨脹劑水化熱

（1）未摻摻合料中熱水泥1天、3天、7天的水化熱分別為168.31kJ/kg、240.75 kJ/kg、285.18 kJ/kg。

（2）中熱水泥單摻30%宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，1天、3天、7天的水化熱分別為115.30kJ/kg、172.71 kJ/kg、211.23 kJ/kg。

（3）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)摻2%MgO， 1天、3天、7天的水化熱分別為115.52kJ/kg、171.80kJ/kg、216.36 kJ/kg。

（4）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)摻5%MgO， 1天、3天、7天的水化熱分別為119.51kJ/kg、174.47kJ/kg、216.54 kJ/kg。

（5）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)摻8%WGHEA，1天、3天、7天的水化熱分別為120.62kJ/kg、188.90kJ/kg、218.75 kJ/kg。

（6）中熱水泥摻入30%宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰復(fù)摻8% ZY①， 1天、3天、7天的水化熱分別為118.97kJ/kg、183.04kJ/kg、216.04 kJ/kg。

結(jié)果表明，中熱水泥單摻30%的宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，水化熱顯著降低，雙摻粉煤灰及膨脹劑，水化熱較單摻粉煤灰的略大，但明顯低于凈水泥的水化熱。

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)試拌調(diào)整，滿足混凝土拌合物技術(shù)指標(biāo)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 限制膨脹率和限制收縮率

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級(jí)配混凝土，水中14天限制膨脹率在0.2×10-4-0.6×10-4之間，其中最大的為復(fù)摻WGHWA、ZY①混凝土。空氣中28天限制收縮率在0.2×10-4-0.5×10-4之間，最小的為復(fù)摻2%MgO的混凝土。

雙摻粉煤灰及膨脹劑二級(jí)配混凝土，水中14天限制膨脹率在0.5×10-4-1.0×10-4之間，最大的為復(fù)摻ZY①混凝土?？諝庵?8天限制收縮率在0.3×10-4-0.7×10-4之間，最小的為復(fù)摻ZY①的混凝土，表明ZY①膨脹劑對(duì)濕度最為敏感。

2.3.2 線膨脹系數(shù)和自生體積變形

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級(jí)配混凝土線膨脹系數(shù)在8.663×10-6/℃-9.315×10-6/℃之間，二級(jí)配混凝土線膨脹系數(shù)在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之間，線膨脹系數(shù)偏大，主要與花崗巖骨料有關(guān)。

混凝土的自生體積變形，主要是水泥水化過(guò)程中，水泥晶體成分的體積變化和水化膠狀生成物與晶體生成物的體積變化有關(guān)。

從自生體變?cè)囼?yàn)結(jié)果和曲線可以看出，摻30%粉煤灰復(fù)摻膨脹劑混凝土自生體積變化趨勢(shì)均為膨脹性體積變形。復(fù)摻MgO的混凝土早期膨脹速度小于復(fù)摻WG-HEA和ZY①的混凝土，后期則緩慢增長(zhǎng)；而復(fù)摻WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨脹較快，7天內(nèi)膨脹基本結(jié)束，中、后期保持膨脹狀態(tài)。

2.3.3 混凝土約束試驗(yàn)

（1）兩向約束

由現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果及約束應(yīng)力曲線表明：四級(jí)配混凝土中復(fù)摻8%ZY①的混凝土兩向約束應(yīng)力相對(duì)較大，隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)應(yīng)力增加的趨勢(shì)，而摻2%MgO的混凝土兩向約束應(yīng)力相對(duì)最?。欢?jí)配混凝土中復(fù)摻8%WG-HEA和8%ZY①的混凝土兩向約束應(yīng)力相對(duì)較大，復(fù)摻8%WG-HEA的約束應(yīng)力早期應(yīng)力較大，隨齡期的增長(zhǎng)應(yīng)力有降低的趨勢(shì)，復(fù)摻8% ZY①的約束應(yīng)力卻隨齡期的增長(zhǎng)略有增大。而摻2%MgO的混凝土兩向約束應(yīng)力相對(duì)最小。

（2）三向約束

四級(jí)配和二級(jí)配混凝土中復(fù)摻8%ZY①的混凝土三向約束應(yīng)力相對(duì)較大，且隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)應(yīng)力增大的趨勢(shì)，在四級(jí)配混凝土中復(fù)摻2%MgO的三向約束應(yīng)力最小，在二級(jí)配混凝土中復(fù)摻MgO約束應(yīng)力也隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)應(yīng)力增大的趨勢(shì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

①在42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥中摻30%粉煤灰后復(fù)摻膨脹劑膠砂的限制膨脹率從大到小的順序?yàn)閆Y①>WGHEA> MgO。

②42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥及雙摻Ⅰ級(jí)粉煤灰、膨脹劑后，膠砂干縮率變化大小順序?yàn)椋簝羲? ZY①> WG-HEA> MgO（摻量5%）> MgO（摻量2%）>單摻粉煤灰。

③42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥采用30%的Ⅰ級(jí)粉煤灰等量取代水泥后，水化熱顯著降低。水泥在摻入粉煤灰后再?gòu)?fù)摻膨脹劑，水化熱較單摻粉煤灰的略大，但明顯低于凈水泥的水化熱。

④限制膨脹率和限制收縮率

雙摻粉煤灰及膨脹劑四級(jí)配混凝土水中14天限制膨脹率，最大的為復(fù)摻 WG-HWA、ZY①的混凝土。空氣中28天限制收縮率最小的為復(fù)摻2%MgO的混凝土。

雙摻粉煤灰及膨脹劑二級(jí)配混凝土水中14天限制膨脹率，最大的為復(fù)摻ZY①的混凝土?？諝庵?8天限制收縮率最小的為復(fù)摻ZY①的混凝土。

⑤線膨脹系數(shù)和自生體積變形

雙摻粉煤灰及膨脹劑的四級(jí)配混凝土線膨脹系數(shù)在8.663×10-6/℃-9.496×10-6/℃之間，雙摻粉煤灰及膨脹劑二級(jí)配混凝土線膨脹系數(shù)在8.443×10-6/℃-9.731×10-6/℃之間。

混凝土自生體變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明，雙摻粉煤灰及膨脹劑混凝土自生體積變化趨勢(shì)均為膨脹型。復(fù)摻MgO的混凝土早期膨脹速率小于復(fù)摻WG-HEA和ZY①混凝土，后期仍緩慢增長(zhǎng)；而復(fù)摻WG-HEA和ZY①的混凝土早期膨脹較快，7天內(nèi)膨脹基本結(jié)束，中、后期略有收縮。就膨脹量而言，復(fù)摻MgO的混凝土膨脹量較小，且隨摻量及齡期的增加膨脹量增大，180天尚未穩(wěn)定；在復(fù)摻膨脹劑混凝土中，復(fù)摻ZY①的膨脹量最大。

⑥約束應(yīng)力

就現(xiàn)有的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，復(fù)摻ZY①的混凝土兩向、三向約束應(yīng)力相對(duì)較大，且隨齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)應(yīng)力增大的趨勢(shì)，復(fù)摻MgO的混凝土約束應(yīng)力與摻量成正比，摻量越大，應(yīng)力越大。