封闭条件下双掺ZY和MgO膨胀剂的双膨胀作用研究

摘要：针对封闭条件下单组分膨胀剂往往不能充分发挥作用，本文采用双掺膨胀剂的方法，取得了比单掺更显著的补偿收缩的效果。但所掺两种膨胀剂比例不同对试件膨胀率影响显著，在不恰当的比例时，不但不能补偿收缩反而会使收缩加剧。

关键词：钙钒石  MgO  膨胀率  封闭条件  双掺

中图分类号：TU528                 文献标识码：A

Research on double-expensive of motar with expansive agent of ZY and MgO Under Closed Condition

 

 

引言

　　膨胀剂要充分发挥膨胀作用的必要条件是在水中或潮湿环境中养护，但是在某些封闭缺水的环境下仍需加入膨胀剂使其发挥补偿收缩的作用。如在钢管混凝土中，为使核心混凝土与钢管壁紧密粘结、协同工作、充分发挥钢管混凝土力学性能，则需要掺入膨胀剂使核心混凝土产生微膨胀。因此，研究封闭条件下膨胀剂的膨胀行为是十分必要的。

　　通常钙矾石的形成及其膨胀比较快,且主要发生在早期；而方镁石的水化及其膨胀十分缓慢, 主要发生在后期。对两者进行适当的组合, 所产生的双膨胀作用比单一的钙矾石膨胀或方镁石膨胀具有更好的膨胀性能。[1] 但在封闭条件下，以钙矾石为膨胀源的膨胀剂或者以水镁石为膨胀源的膨胀剂水化可能都不完全，不能完全抵消水泥的自收缩，只能补偿部分收缩。因此，封闭条件下双掺膨胀剂取得的效果还需试验论证。 　

1. 1 原材料 　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

水泥——拉法基42.5R普通硅酸盐水泥

膨胀剂——重庆某厂生产的ZY膨胀剂和南京某厂生产的氧化镁膨胀剂

砂——岳阳中砂，其细度模数为2.8

拌和水——一般自来水，符合实验要求

减水剂——成都某厂生产的聚羧酸减水剂

1.2 试验方法 　　　　　　　　　　　

　　试验参照JTG E30----2005成型胶砂试件，并在试件两侧埋置钉头。一组三个试件，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。为测试封闭条件下膨胀剂的膨胀率（均为自由膨胀率），在砂浆装入试模后即用塑料薄膜将砂浆试件封住以防水分散失，试件成型一天后脱模，记录初长后对试件表面进行蜡封并用塑料薄膜作封闭处理。测试1天，7天，14天，28天龄期的膨胀率。

　　试验配比是固定水泥用量、胶凝材料总量及水胶比不变，改变膨胀剂掺量，考察不同掺量下的膨胀率。膨胀剂选用ZY型和氧化镁型分别来进行单掺和双掺，分析不同膨胀剂掺量下试件膨胀率的变化规律。试验材料用量见表1。

 

2  试验结果与讨论

  对各组试件进行了不同龄期的膨胀率测试，膨胀率试验结果见表2

 

　　由试验结果可以看出，在封闭条件下所有的试件都在收缩。这是因为在封闭条件下缺少足够的水养护，膨胀剂并没有充分的发挥膨胀作用。但是膨胀剂补偿收缩的效果比较显著，几乎所有掺膨胀剂的试件的收缩都比不掺的小，并且双掺比单掺的补偿收缩的效果更加显著。单掺与双掺的试验结果对比分析如下。

2.1 膨胀剂单掺的对比

　　将四组单掺膨胀剂的试件与不掺膨胀剂（即空白的，以下不掺膨胀剂的都统称为空白的）的试件的膨胀率相比较如图1。
 

  

　　从图1中可以明显地看出，掺8％和12％ZY膨胀剂的两组试件都有显著的补偿收缩的效果，二者补偿收缩后的变化趋势与空白的变化趋势几乎是一样的,但是比空白的收缩减小很多。并且随着掺量的增加，生成的钙矾石越多，补偿收缩的效果越明显。而对于单掺MgO的两组试件，当MgO掺量为4％时其补偿收缩的效果几乎没有，甚至还有收缩更严重的情况发生；当MgO掺量为8％时其补偿收缩的效果比ZY更显著。对比MgO掺量为8％时的膨胀率和ZY掺量为12％时的膨胀率可以看出，当MgO掺量为8％时其前期和后期的膨胀率都比单掺ZY的大，只是中期小于ZY，可见MgO产生了不均匀的体积变化。分别用四组单掺膨胀剂试件的膨胀率减去空白试件的膨胀率可得出单掺膨胀剂时其补偿收缩后的膨胀率变化如图2。

  

　　从图2可以直观地看出MgO产生了不均匀的体积变化，其补偿收缩后的变化趋势是呈波浪型的，不过其整体趋势还是在补偿收缩的。而ZY引起的体积变化趋势却很均匀，在14天时其有下降的趋势。席耀忠对此现象做过研究【2】，这是由胶砂里的SO3消耗待尽而引起的，钙钒石在低硫环境下开始分解成AFm，使其补偿收缩的能力下降。随着膨胀剂掺量的增加其膨胀率的变化趋势如图3，图4。 

  

　　从图3中可以看出ZY掺量在0-8％时其膨胀率随着掺量增加上升比较快，在8-12％时虽然膨胀率也在增加，但是增长的速率曲线相对平缓。这可能是随着ZY的增多，其需水量也增大，由于在封闭条件下水是一定的，因此膨胀率增长比0-8％小。同时从5个龄期的5条曲线上看，彼此都是单调递增的，且基本相互平行，说明钙钒石的生成速度比较平稳，对胶砂的体积平稳变化有益。而从图4中看到的MgO的曲线却是与ZY曲线的变化趋势刚好相反。MgO掺量为0-4％时，其膨胀率随着掺量的增大在不同的龄期里主要是减小的，如图所示在第1天，14天，28天都是减小，而在7天，21天有很小的增幅。这可能是由于MgO的水化不均匀，生成的Mg（OH）2的量的速度不一样并且其形貌也不一样引起的。当MgO掺量为4-8％时，其曲线上升得很平滑，并且各个龄期的曲线也几乎平行，说明这种掺量下的体积变化比较。至于单掺MgO在低掺量下体积变化波动大，在高掺量下体积变化波动小的原因，有待进一步研究。

2.2 双掺膨胀剂试件膨胀率的对比

　　四组双掺的试件中膨胀剂的总掺量分别为8％和12％，双掺的比例分别为1：1和1：2，即mZY：mMgO＝1：1和1：2，目的是为了与单掺相比较，在四个掺量中找出一个最佳掺量。将四组双掺膨胀剂的试件与空白的试件的膨胀率相比较如图5。
 

  

 

　　从图5中可以看出双掺4％ZY 4％MgO的试件几乎没有补偿收缩，甚至还比空白的收缩更大。可见在这个掺量下膨胀剂几乎没有膨胀效果。姜正平等人的研究也发现在“干燥(空气中)条件下，膨胀剂的掺入可以使早期的收缩减少约50％以上，但在后期，对补偿收缩的作用不大，或者说几乎没有作用，甚至在不恰当的养护或配比情况下，还会因膨胀剂的掺入，而导致收缩增大。这主要是因为膨胀剂的膨胀作用必须在潮湿的条件下才能与水泥水化产物充分反应后得以发挥。”[3]这是由ZY和MgO相互的膨胀作用协调不恰当引起的，不但没有相互促进，反而相互制约，使得膨胀率减小。从图3和图4可以看出单掺4％Mg0时的膨胀率是最低的，单掺4％ZY时的膨胀率也很低，单纯从两者的膨胀率数值上叠加得到的膨胀率就不高。

　　分别用双掺的四组膨胀率减去空白的膨胀率可得出双掺膨胀剂时其补偿收缩后的膨胀率变化如图6。 从图6中可以看出减去空白的膨胀率后的Z4M4,Z6M6，Z8M4的体积变化幅度都较大，这可能是由MgO和ZY的膨胀没有合理协调引起的。只有Z5M3的变化趋势平缓，这是由于掺入MgO后，游离MgO的存在将促进钙矾石的形成和膨胀[4]。而MgO水化形成Mg（OH）2后，由于Mg（OH）2的碱性没有Ca（OH）2的碱性强，使胶砂中pH值相对下降。按德国科学家奎尔等的试验结论：只有在碱度偏高(pH≥12．455)时，钙钒石晶体粒子以近程扩散方式，沉淀析晶，呈细小放射状晶体，比面积较高，相应的膨胀量大；而当碱度偏低(pH≤ 12．154)时，沉淀析晶呈粗结晶状低比表面积，膨胀能力较小。因此掺加MgO后改变了pH值也就改变了钙钒石形貌，影响了体积变化。因此除了考虑体积稳定性因素以外，溶液中的pH值也是一个重要的因素。

　　再将Z5M3与Z8M0,Z0M8作对比，也就是与单掺8%ZY的和单掺8％MgO的膨胀率作对比如图7，也可以看出Z5M3补偿收缩效果是最显著的。

 3 结论

（1）封闭条件下单掺ZY胶砂试件的体积变化比较平稳，未出现明显的体积变化波动。

（2）封闭条件下单掺MgO的胶砂试件体积变化在掺量为0-4％时体积变化波动比较大，掺量为 4-8％时体积变化波动性比较小。

(3) 封闭条件下双掺膨胀剂的补偿收缩的效果比单掺的显著，一般可以使收缩减少50％以上；但在双掺时，两种膨胀剂掺量比例不同对试件膨胀率影响显著，在不恰当的比例时，不但不能补偿收缩反而会使收缩加剧。

 

参考文献

1  陈胡星,李东旭,叶青,王宇青,楼宗汉，钙矾石与方镁石双膨胀作用研究，硅酸盐学报，2000年12月。

2  姜正平，韩静云，张秀志，不同养护条件下膨胀剂对水泥胶砂收缩性影响的研究，2003年第3期 混凝土与水泥制品 总第131期。

3  席耀忠，二次钙矾石形成和膨胀混凝土的耐久性，混凝土与水泥制品，2003 年第2 期 。

4  牛季收, 粉煤灰对UEA 混凝土补偿收缩性能的影响, 建筑技术开发，2003年8月。

5  叶青，含钙矾石和水镁石双膨胀源水泥硬化浆体及其混凝土的体积稳定性分析，混凝土与水泥制品，2001 年第1 期。