（材料学专业论文）钢管核心混凝土膨胀性能研究.pdf

摘要 钢管与核心混凝土间的相互协同作用使得钢管混凝土具有一系列优越的力学 性能。要实现该作用，两者必须紧密结合。但混凝土中存在着收缩以及缺少水分 养护等，使得核心混凝土与钢管壁之间易脱粘而形成空腔，对工程造成潜在的安 全隐患。 本文从解决钢管混凝土脱空问题出发，对封闭条件下混凝土的膨胀性能进行 研究。分别探讨了不同水胶比、用水量和不同种类的陶粒对砂浆和混凝土膨胀性 能的影响，并结合实际工程材料比较几种胶凝材料对混凝土膨胀性能的影响。 通过试验研究得出以下结论： ( 1 ) 对于砂浆试件，水胶比在0 3 1 - 0 3 3 范围内时，砂浆产生最大膨胀率。 水胶比较低时，增大用水量、掺饱和吸水陶砂有利于提高砂浆的膨胀率；水胶比 较高时，增大用水量则会降低砂浆的膨胀率，当试件的龄期小于1 2 0 d 时，掺入陶 砂则不影响砂浆的膨胀率。低热硅酸盐水泥砂浆各龄期的膨胀率都大于快硬硫铝 酸盐水泥砂浆的膨胀率。掺i i 级粉煤灰与$ 9 5 矿渣的砂浆的膨胀率变化规律相同， 且各龄期的膨胀率相差不大。 ( 2 ) 掺入饱和吸水的陶粒与陶砂可提高混凝土的膨胀率，混凝土膨胀率由大到 小的顺序为：陶粒 陶砂 普通集料。 ( 3 ) 综合本研究结果，封闭条件下，水胶比为o 3 1 时，采用低热硅酸盐( 微膨 胀) 水泥、掺3 0 陶粒和8 m g o 膨胀剂配制而成的混凝土具有较好的膨胀性能，混 凝土可产生持续稳定的膨胀。 ( 4 ) 养护条件会影响混凝土的膨胀性能，因此本文认为，以往以水中和空气中 养护的混凝土的膨胀率作为评价钢管混凝土膨胀性能的方法是不正确的，而采用 封闭条件下养护的混凝土的膨胀率作为评价钢管混凝土膨胀性能的方法是比较客 观的。 关键词：钢管混凝土：m g o 膨胀剂；膨胀率；钙矾石；水镁石 a bs t r a c t c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b ei sac o m b i n a t i o ns t r u c t u r e b ys t u f f e ds t e e lt u b ew i t l l c o n c r e t e t h em a i nr e a s o nf o ri t se x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o p e r t i e si st h ec o o p e r a t i n g f u n c t i o nb e t w e e nt h es t e e lt u b ea n dt h ec o r ec o n c r e t e i no r d e rt oa c h i e v et h i sa i m b o t i l o ft h e mm u s tb ec o m b i n e dc l o s e l y d u et ot h es h r i n k a g eo f c o n c r e t ea n dl a c ko fc u r l n g w a t e r , t h ec o r ec o n c r e t ea n dt h ew a l lo fs t e e i c a v u m ，m a yb r i n gt h eh i d d e nt r o u b l e t u b ea r ei n c l i n e dt os e p a r a t ea n df o r ma t os o l v et h ep r o b l e mo fc o n c r e t ec a v u m ，t h i s p a p e rr e s e a r c h e dt h ee x p a n s i o n p e r t o r m a n c eo fc o n c r e t ea tc l o s u r ec o n d i t i o n s e f f e c t so fd i f f e r e n tw 砒e r - b i n d e rr a t i o 、 w a t e rq u a n t i t ya n d h a y d i t e so ne x p a n s i o np e r f o r m a n c eo fc o n c r e t eh a v e b e e n s t u d i e d - w i t ha c t u a l e n g g e r i n gm i x ，e f f e c t s o fd i f f e r e n tb i n d e rm a t e r i a l s o nt h e e x p a n s i o np e r f o r m a n c eo fc o n c r e t eh a v eb e e nc o m p a r e d t h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d y , t h e s ec o n c l u s i o n sc o u l db eg o t ： ( 1 ) t ot h em o r t a r , w a t e r - b i n d e rr a t i ow i t h i n0 31 0 3 3 ，e x i s tb e s tw a t e r - b i n d e r r a t i ot og e tm a xe x p a n s i o nr a t i o t h ep e r c e n t a g eo f e x p a n s i o nw i l lb ei m p r o v e d 、 r i m m c r e a s i n gw a t e ra n dm i x i n gs a t u r a t e dh a y d i t ea tl o ww a t e r - b i n d e rr a t i o ，a n dw i l lb e r e d u c e dw i t hi n c r e a s i n gw a t e ra th i g hw a t e r - b i n d e rr a t i o m i x i n gs a t u r a t e d h a y d i t ew o n ，t i n t l u e n c et h e p e r c e n t a g eo fe x p a n s i o na th i g hw a t e r - b i n d e rr a t i o t h ee x p a n s i o no f l o w - h e a tp o r t l a n dc e m e n ti sh i g h e rt h a nr a p i d h a r d e n i n gs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ta ta 1 1 a g e sw i t ht h es a m ea m o u n to fs a t u r a t e dh a y d i t e a n d $ 9 5s l a ga r es i m i l a r t h ee x p a n s i o no fm a r t a rw i t hi if l ya s h ( 2 ) t h es a t u r a t e dh a y d i t ew i l li m p r o v et h ee x p a n s i o no fc o n e r e t e ，a n df o i l o w 弓d b y ：l a r g eh a y d i t e s m a l lh a y d i t e g e n e r a la g g r e g a t e ( 3 ) c o m p r e h e n s i v er e s u l t so ft h i ss t u d y , t h ec o n c r e t em a d eo fl o w - - h e a tp o n l a l l d c e m e n tc o n c r e t e3 0 s a t u r a t e dh a y d i t ea n d8 m g oe x p a n s i o na d m i x t u r eh a v eb e t t e r e x p a n m o np r o p e r t yw h e nc o n c r e t ei sc u r i n ga tc l o s u r ec o n d i t i o na n dt h ew a t e r - b i n d e r r a t i oi s 0 3 1 ， a n dt h e e x p a n s i o no fc o n c r e t ew i l lh a v eas u s t a i n e da n ds t a b i e d e v e l o p m e n t ( 4 ) c u r i n gc o n d i t i o n sa f f e c tt h ee x p a n s i o np e r f o r m a n c eo fc o n c r e t e ，s oi ti si n c o n c t t 0u s ee x p a n s m nr a t i oo fc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b ew i t h c u r i n gi nw a t e ra n da i r a n dm e e x p a n s l o np e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b es h o u l db ej u d g e b yt h ee x p a n s i o n r a t i oo fc o n c r e t ew i t hc u r i n ga tc l o s u r ec o n d i t i o n s k e yw o r d s ：c o n c r e t ef i l l e ds t e e lt u b e s ；m g oe x p a n s i o na d m i x t u r e ；p e r c e n t a g eo f e x p a n s i o n ；a t t r i n g i t e ；b r u c i t e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 王锋 日期：加罗年厂月z d 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：互伟 指导教师签名：壤球谚 日期：舛y hv 日 日期：0 唧年s 月扣日 1 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：互佛 日期：沙。了年y 月劢日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 钢管混凝土的概述及研究现状 1 1 1 钢管混凝土的概述 钢管混凝土是将混凝土填充入钢管内形成的材料。它是由金属钢与无机非金 属的混凝土所复合而成的，是钢一混凝土组合结构中最重要的一种形式。按照钢 管混凝土截面形状的不同可分为圆钢管混凝土、方形钢管混凝土、矩形钢管混凝 土和多边形钢管混凝土等。 钢管混凝土利用钢管和混凝土两种材料在受压过程中的相互作用，即钢管对 其核心混凝土的约束作用，使混凝土处于复杂应力状态之下，从而使混凝土的承 载力得以提高，塑性和韧性性能得到改善；同时，由于混凝土的存在，可以延缓 或避免钢管过早的发生局部屈曲，从而可以保证其材料性能的充分发挥。此外， 在钢管混凝土的施工过程中，钢管还可以作为浇注其核心混凝土的模板，与钢筋 混凝土相比，可以节省模板费用，加快施工速度。总之，通过钢管和混凝土组合 而成的钢管混凝土结构，不仅可以弥补两种材料各自的缺陷，而且能充分发挥二 者的优点。 钢管混凝土的特点：1 ) 构件承载力高。整个钢管混凝土构件的承载力约为钢 管和核心混凝土单独承载力之和的1 7 倍- - - , 2 0 倍。2 ) 塑性和韧性好。钢管混凝土 构件破坏时，完全没有脆性破坏的特征。3 ) 施工简便，可大大缩短工期。钢管混凝 土柱不需绑扎钢筋、支模和拆模且钢管内无钢筋、混凝土浇灌工艺迅速发展都使 其施工简便、迅速。4 ) 耐火性能较好。核心混凝土吸收大量的热能，在遭受火灾时 增加柱子的耐火时间且一旦钢柱屈服，混凝土可以承受大部分的轴向荷载，防止结 构倒塌。5 ) 耐腐蚀性能优于钢结构。钢管中浇筑混凝土使钢管的外露面积减小，受 外界气体腐蚀面积比钢结构少得多，抗腐和防腐所需费用也比钢结构节省。 1 1 2 钢管混凝土的研究现状 目前国外对钢管混凝土的研究，主要以其结构力学性能为主，英国、德国和 法国等一些西欧国家以及日本主要研究核心为素混凝土的方形、圆形和矩形钢管 混凝土结构。美国和加拿大主要研究核心为素混凝土的方形和圆形钢管混凝土结 构。我国对钢管混凝土的研究主要集中在钢管中浇筑素混凝土的内填型钢管混凝 土结构，在钢管混凝土组合结构( 主要是核心混凝土为普通强度等级的钢管混凝土) 力学性能和设计方法、节点构造和施工技术、耐火性能等方面开展了比较系统的 研究工作，其构件性能、理论研究和实际应用在国际上处于领先。 2 第一章绪论 胡曙光和丁庆军等针对钢管高强膨胀混凝土的特性，围绕钢管混凝土工程应 用中所普遍存在的混凝土与钢管脱粘问题和大跨度结构工程中的施工难题，通过 长期研究，认为钢管混凝土结构工作的实质和关键在于钢管及其核心混凝土间的 相互作用和协同互补，由于这种相互作用，使钢管混凝土具有一系列优越的力学 性能。但核心混凝土中存在着收缩及缺少水分养护等，使其与钢管壁之间易脱粘 而形成空腔，即产生“脱空 。 高层建筑、大型和特大型桥梁的钢管混凝土，其核心混凝土的旋工问题也影 响钢管与核心混凝土相互作用的一个关键因素。钢管混凝土工程由于混凝土灌注 量大，泵送高度大，混凝土被外围钢管所包裹，要求混凝土拌合物不仅应具有免 振捣自密实性能，坍落度损失小，而且还必须严格控制离析泌水等现象的产生， 否则有可能对施工过程及混凝土质量产生严重影响。一方面，离析会导致在高压 泵送情况下粗集料和砂浆分离，在泵管中嵌锁堆积而产生堵管现象；另一方面， 有离析泌水的混凝土进入钢管后，粗集料下沉，砂浆上浮，导致钢管中混凝土严 重分层，形成局部的薄弱层，而且硬化混凝土与钢管壁的结合由于泌水形成的水 膜的存在也不紧密，严重影响混凝土质量。 在工程结构日益朝超高层、超大跨度方向发展的趋势下，钢管混凝土迅速向 高强度、大管径方向发展，使混凝土的自收缩和温度收缩明显增大，钢管与核心 混凝土的脱粘问题更加突出。主要原因：1 ) 钢管混凝土的水胶比低，所采用的水 泥细度大、早强矿物含量较高、水化速度快，混凝土内部相对湿度下降很快，白 干燥现象显著，自收缩值明显高于普通混凝土。膨胀剂的膨胀效果难以有效发挥， 产生的膨胀量不足，钢管混凝土用水量少，且处于封闭环境，膨胀剂水化所需水 分难以得到充分的供给。为了改善钢管混凝土的工作性、降低水化热等，混凝土 中常掺入粉煤灰等矿物掺合料，其火山灰效应消耗了c a ( o h ) ：，降低了体系的碱度， 影响了钙矾石的生成。2 ) 难以实现膨胀剂引发的膨胀与核心混凝土的收缩及其强 度增长的协调发展。膨胀剂水化较快，相当一部分在混凝土产生强度之前已经发 生反应产生体积膨胀，这时的膨胀因为没有受到限制，是自由膨胀，不能产生有 效的膨胀应力，而在水化硬化进行到一定的程度之后，混凝土中没有足够的水分 与膨胀剂中的组分发生反应产生膨胀，这也是造成掺入膨胀剂依然难以解决钢管 壁与混凝土之间脱粘问题的一个重要因素。 1 2 钢管混凝土产生脱空的原因及解决措施 1 2 1 混凝土浇筑过程中产生的脱空 混凝土在浇注过程中，由于混凝土内空气存在临界逃逸角、气腔等因素造成 第一章绪论 3 混凝土的脱空口1 。( 1 ) 混凝土内空气存在临界逃逸角。由于空气的浮力沿钢管方向 的分力随钢管的仰角按正弦规律变化，越靠近拱顶其分力越小，而混凝土具有一 定的粘滞力，当钢管的仰角等于一定值时，气泡的浮力沿钢管切线方向的投影与 混凝土粘滞力相等，空气泡处于静平衡状态，该切线与水平线夹角即为混凝土内 空气的临界逃逸倾角。所以钢管拱近拱项平缓段上壁附着的空气难以沿平缓的钢 管内壁向拱顶逃逸。 ( 2 ) 钢管混凝土气腔的形成。在钢管内混凝土顶升至一定高度后，钢管倾角小 于空气临界逃逸角：当泵送混凝土速度变化时，混凝土自由表面起波浪或涌浪， 在离钢管上壁很近时，浪峰混凝土粘附在钢管上壁内表面，将后方浪谷处的空气 封闭形成气腔。随混凝土水平高度增加、压强的增大使空气压缩，而压缩后的空 气上升浮力更小，上升浮力沿平缓的钢管方向的分力更不足以使空气排开混凝土 沿钢管运动；当高出拱顶约2 m 的排浆口喷浆后，钢管内各部分的压强均达到最大 值，钢管内的空气将永久封闭。 ( 3 ) 钢管混凝土气腔的增大。由于各种各样原因泵送混凝土含有一定微气泡形 式的空气。由于钢管的阻隔，难以对钢管内混凝土进行比较有效的振捣，混凝土 所含微气泡上升很慢：由于泵送混凝土施工工艺的需要，混凝土初凝时间长达2 4 h ， 在排浆口喷浆后或停止泵送混凝土后仍有部分气泡上升至钢管上壁汇集，而拱脚 段由于钢管仰角比较大，汇集后的空气会继续沿钢管上升，最后滞留在平缓段， 使拱顶平缓段混凝土与钢管脱空增大。 浇筑过程中产生的脱空可以在混凝土浇筑结束后进行处理，主要的措施：1 ) 负压抽吸。在混凝土泵送完成后至混凝土初凝时间内，在排气管出口用抽气设备 抽负压，提高混凝土对钢管内上壁的压力，利于混凝土泌水和气体的排出，保证 混凝土在对钢管有一定的压力状态下凝结。2 ) 振捣排浆管内混凝土。在负压抽吸 的同时对拱顶烟囱状排浆、排气管内混凝土进行间歇振捣，保证大气压力和管内 混凝土压力能传递至钢管拱内，并根据具体情况及时补充拱顶烟囱状排浆管内混 凝土。3 ) 钢管外辅助振捣措施。在空气临界逃逸角范围外至拱顶段的钢管上面采 用人工敲击或附着式振捣器由下至上进行振捣。 1 2 2 混凝土凝结硬化后产生的脱空 众所周知，钢管混凝土具有一系列优越的力学性能源于钢管与核心混凝土间 的相互作用和协同互补。但核心混凝土中存在着化学收缩、塑性收缩、自生收缩 和温度收缩等，使其与钢管壁之间易脱粘而形成空腔。即钢管混凝土的脱粘是由 核心混凝土的收缩引起的。 混凝土的收缩是指由混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度降低等因素 4 第一章绪论 引起的体积缩小。混凝土的收缩变形主要有浇筑初期( 终凝前) 的化学收缩和塑性 收缩、硬化混凝土的干燥收缩变形、自生收缩变形、温度下降引起的冷缩变形、 因碳化引起的碳化收缩变形，以及徐变收缩变形等。在钢管混凝土中，混凝土由 于受到钢管的紧箍作用并且处于一个封闭的体系中，因此钢管混凝土体系中核心 混凝土的体积变化并不包含干燥收缩和碳化收缩，主要包含的收缩类型有：化学收 缩、塑性收缩、自收缩和温度收缩等。 ( 1 ) 化学收缩 化学收缩是指由于水泥水化，浆体中的固体和液体的绝对体积减少，而使水 泥水化产物的绝对体积要小于水化前水泥与水的绝对体积。水泥水化过程中，原 来的自由水成为水化产物的一部分，使它的比容由原来的l c m 3 g 变成约为 0 7 5 c m 3 g 。也就是说，硅酸盐水泥的化学缩减量为化学结合水的2 5 。因此可以 认为，化学结合水量大的水泥，其最终化学减缩量也大。硅酸盐水泥的各个矿物 有不同的化学减缩量，c a 的化学减缩量最大，c 出的收缩率是c ：s 的3 倍，几乎是 c 放f 的5 倍。化学收缩和水化程度成正比，h p c 存在大量未水化水泥颗粒，尽管其 单位体积胶凝材料用量较大，其化学收缩和普通混凝土相比仍然较小。但如掺用 活性很高的矿物掺合料如硅灰或超细矿渣，则化学收缩会在一定范围内随其掺量 的增加而增加。 ( 2 ) 塑性收缩 混凝土拌制后一段时间内，水泥的水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌 水和体积缩小现象，这种体积缩小称为塑性收缩。塑性收缩都发生在混凝土拌和 后约3 - 1 2 d , 时以内，即在终凝前比较明显。因为这种收缩发生时混凝土仍处于塑 性状态，因此把这种收缩称为塑性收缩。混凝土塑性收缩导致骨料受压、水泥胶 结体受拉，故其既可使水泥石与骨料结合紧密，又可能使水泥石产生裂缝。塑性 收缩的大小约为水泥绝对体积的1 。 ( 3 ) 自收缩 混凝土在恒温绝湿条件下，由胶凝材料的水化作用引起的体积变形称为体积 变形，而自生体积变形表现为收缩的称自收缩，这种收缩是由化学作用引起的。 在水泥的水化过程中，水化反应产物的绝对体积v h 小于消耗的水体积v 和水化水泥 的体积v 。，o p v 。= v - + v 。一a v ，a v 为化学收缩。当硬化水泥石不能再与外界水源接触 时，化学收缩就会不可避免地造成在原来水饱和的孔洞内形成气孔，随着水化反 应的进行，这种气孔所占的空间会越来越大，水蒸气和水的平衡压也会变得越来 越低，这时就出现了“自干燥”现象。 因此硬化水泥石中微孔的状态对于白干燥现象有重要的影响。硬化水泥石中 包括两种类型的孔：凝胶孔和毛细孔。凝胶孔是水化产物的固有部分，而毛细孔 是新拌水泥浆体中水泥颗粒之间空间的残余部分。在水化过程中凝胶孔中的水是 第一章绪论 5 不能流动的，即使毛细孔水被消耗掉，凝胶孔中的水也不会参与化学反应。如果 毛细孔中没有足够的自由水，即使水泥石中还有未水化的水泥颗粒，水化反应也 将停止，此时自干燥现象也随之停止。 ( 4 ) 温度收缩 混凝土随温度下降而发生的收缩变形称为温度收缩，简称冷缩。当温度下降 ( o 以上) 时，混凝土会产生温度收缩变形( 冷缩) 。当混凝土受冻时，其孔隙水和 毛细管水的结冰将明显影响其变形。一般情况下，当混凝土温度降至o 以下时， 混凝土不仅不收缩，反而会因结冰产生的压力而引起膨胀变形。 1 2 3 解决钢管混凝土脱空的措施 解决钢管混凝土脱空的措施可分为两个方面：一个方面是预防，在混凝土施 工阶段，避免发生脱空或减少、消除脱空的影响：另一方面是补救，在钢管混凝 土服役阶段，对发生了的脱空进行补救。 对出现脱空问题的钢管混凝土，可采用注浆补强的方法，一般采用压注水泥 砂浆或水泥浆口1 ，也有采用浆注环氧糠酮浆或甲凝浆h 1 ；在钢管外包裹保温材料， 不但可以预防脱空问题的发生，当脱空问题出现时，还可使钢管与混凝土的温度 变化趋于平缓并减少二者温变的差异，防止脱空问题继续加重乜1 。 钢管混凝土脱空问题的预防就是从其本质入手，即从钢管、混凝土这两种材 料上来分析：一是通过钢管的收缩在钢管与混凝土之间产生自应力畸1 ，称为机械自 应力钢管混凝土；二是通过混凝土的膨胀在钢管与混凝土之间产生自应力，称为 化学自应力钢管混凝土喳3 。 机械白应力钢管混凝土通过钢管的收缩来产生自应力。混凝土注入钢管之前 先将钢管加热，使其产生膨胀，待混凝土硬化后，钢管收缩产生应力。但是这种 方法较为复杂，钢管制备难度大。实际工程中所用的钢管多数是大直径，大长径 比的钢管，要在如此庞大的钢管上用加热的方法使其产生膨胀并保持到混凝土硬 化无疑是极其困难的，不仅增加了施工难度，而且也会使施工费用大幅度上升。 因此，这种施加应力的方式仅可用于试验研究和一些小直径、小长径比的钢管混 凝土。 化学自应力钢管混凝土是在混凝土中加入膨胀剂，将钢管核心混凝土设计为 膨胀混凝土，通过掺入膨胀剂( 一般是以钙矾石为膨胀源的膨胀剂) ，使核心混凝 土在水化硬化过程中产生体积膨胀，补偿收缩变形并产生一定的膨胀应力，使核 心混凝土与钢管壁紧密结合。但是以钙矾石为膨胀源的膨胀剂反应生成钙矾石需 要大量的水分，在钢管内混凝土得不到充分的养护，膨胀剂不可能全部发挥其膨 胀性能。试验研究和工程实例都表明，钢管混凝土结构出现脱粘而形成空腔的问 6 第一章绪论 题仍然存在。 影响钢管混凝土脱空的收缩主要是混凝土的化学收缩和自收缩，因此可以从 材料和配合比设计两个方面来改善混凝土的收缩。使用高c ：s 和低c 擅或c a f 的硅酸 盐水泥，因此采用低热或中热硅酸盐水泥制备的混凝土的收缩比普通硅酸盐水泥 混凝土低得多。使用m 9 0 膨胀剂，利用其后期膨胀的特性可以有效降低混凝土的收 缩。有研究表明，利用膨胀水泥水化产生的钙矾石和氧化镁水化产生的水镁石， 二者膨胀效应叠加可以使混凝土产生持续稳定的膨胀。这种方法对于解决钢管混 凝土脱空是否有效值得进行研究。 1 3 氧化镁膨胀剂及膨胀水泥的研究现状 以氢氧化镁为膨胀源的膨胀剂，一般利用菱镁矿( m g c o 。) 经1 0 0 0 ( 2 左右煅烧之 后分解成m g o ( 式1 1 ) ，再经磨细而成氧化镁膨胀剂，m g o 含量 8 5 。白云岩或白 云质石灰岩的主要成分为c a m g ( c 0 3 ) ：，可以通过控制m 9 0 含量，生产氧化镁膨胀剂。 m g c 0 3 一m 9 0 + c o ： ( 式1 1 ) 氧化镁膨胀剂通过m 9 0 水化为m g ( o h ) ：而产生体积膨胀，水化反应式见式 ( 1 2 ) ： m 9 0 + h ：0 - - - m g ( o h ) 2 ( 式1 2 ) 氧化镁膨胀剂具有延迟膨胀性能，常温下水化较慢，在4 0 6 0 的环境温度 中，m 9 0 水化为( 0 h ) 。的膨胀速度明显加快，经1 2 月水化反应之后其膨胀基本 稳定，因此它一般适用于大坝岩回填的大体积混凝土。大体积混凝土在3 7 d 内 部温升较高，可加速m 9 0 的水化反应，此时氧化镁膨胀剂开始膨胀，1 年内趋于稳 定。 m g o 作为膨胀剂早在2 0 年前己经开始在筑坝技术中应用口1 。在生产大坝混凝 土时，加入适量、特制的m g o ，利用其水化后具有的延迟微膨胀来补偿混凝土的收 缩和降温变形，可以相当程度上减小混凝土出现裂缝的可能性。外掺m g o 混凝土 在很多水工建筑物中得到广泛的应用，取得了较好的效果睛9 1 。 南京工业大学对以掺m g o 微膨胀水泥制成的混凝土进行了多年的研究，全面 系统的研究了膨胀剂的制备工艺、掺入方式、m 9 0 微膨胀水泥的变形规律及其影响 因素。研究表明n 们，氧化镁膨胀剂的煅烧温度、细度、掺入方式和混合材的种类 等对m g o 水泥混凝土的膨胀规律都有影响。m g o 能适应多种方法掺入任何水泥，并 且都能够产生膨胀n 0 1 。m 9 0 的质量、掺量、膨胀速率、膨胀量、膨胀稳定时间以及 外掺均匀性都是可以控制的，只要改变混合材种类和掺量，即可控制外掺m g o 混 凝土的膨胀速率及膨胀量。外掺m 9 0 水泥混凝土的自身体积膨胀变形是稳定的， 不会产生无限膨胀，也不会出现回缩，长期膨胀变形能总是趋于稳定的，不会产 第一章绪论 7 生二次性膨胀n 1 1 2 1 。同时，外掺m g o 混凝土长龄期的力学性质是安定的，微膨胀对 混凝土长期力学性能的影响不大。吴中伟等也通过试验对m g o 的微膨胀机理进行 了研究得出：水泥早期浆体体积膨胀主要起因于极细的m g ( o h ) ：晶体吸水肿胀，随 着m g ( o h ) ：晶体的长大，结晶生长对浆体膨胀起主导作用。 浙江大学、浙江工业大学以及长江科学研究院等单位通过多年的研究n 2 j 朝，提 出了“双膨胀 水泥的理论。利用水泥水化早期产生的钙矾石进行膨胀，后期则 利用m g o 的水化产物m g ( o h ) ：进行膨胀，充分利用各自的优点以弥补混凝土产生的 收缩。钙矾石膨胀发展较快，主要发生在2 8 d 以内，m g o 膨胀主要发生在2 8 d 以后， 适当提高体系中m g o 的含量，能够延长膨胀的持续时间，提高最终膨胀量4 1 。 陈胡星等对钙矾石和水镁石的双膨胀效能进行了研究n 朝，结果表明，钙矾石 膨胀主要发生在早期，水镁石膨胀主要发生在后期，两者适当组合，能产生适宜 的膨胀量与膨胀分布，从而可以比较有效地补偿混凝土的收缩，提高耐久性。同 时，在约束条件下钙矾石与水镁石的膨胀可以产生预压应力，使水泥石结构致密 化，对改善水泥混凝土性能也具有重要意义n 引。 叶青通过对双膨胀低热矿渣水泥的研究发现n 7 j8 。，在水泥中s o 。含量为2 8 3 4 和熟料中m g o 含量为4 0 5 0 9 6 时，双膨胀低热矿渣水泥硬化浆体中的钙矾石 膨胀和水镁石膨胀具有连续性、整体性和稳定性。在2 8 d 龄期前主要依靠钙矾石 膨胀，在2 8 d 龄期后主要依靠水镁石膨胀，在9 0 d 龄期时，这种双膨胀低热矿渣 水泥净浆的自由膨胀能够达到7 0 0 x1 0 咱以上。当s o 。含量小于3 5 时，双膨胀低 热矿渣水泥硬化浆体的膨胀率为钙矾石膨胀与水镁石膨胀之和( 即e = 钙矾石+ e 方镬 石) ；当s 0 。含量在3 5 - 4 o 时，水泥硬化浆体的膨胀率不是两者的线性叠加，而 是要加上水镁石膨胀的数倍或数次方( 即= 钙矾石+ k ie 方镁石，或e = e 钙矾石+ k 2 ( 方 镁石) “) 。在钙矾石膨胀已使双膨胀低热矿渣水泥硬化浆体结构相当致密的基础上， 后期水镁石结晶膨胀能则更多地用作外体积膨胀功，因此产生了较大的膨胀增量。 1 4 本文的主要研究内容 本文结合西部交通建设科技项目自预应力钢管混凝土开发应用试验研究 的部分相关内容确定的。主要研究在低热硅酸盐水泥和快硬硫铝酸盐水泥中分别 掺入氧化镁型膨胀剂的水泥砂浆和混凝土的膨胀性能，分别探讨不同水胶比、用 水量和不同种类的陶粒对砂浆和混凝土膨胀性能的影响，并结合实际工程材料比 较几种胶凝材料对混凝土膨胀性能的影响。具体研究内容如下： ( 1 ) 封闭条件下，不同水胶比、用水量对掺氧化镁膨胀剂的低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥和快硬硫铝酸盐水泥膨胀性能的影响。探讨用饱和吸水的陶砂等体积取代砂 的水泥砂浆的膨胀性能，比较相同配合比掺陶砂与不掺陶砂的水泥砂浆膨胀性能 8 第一章绪论 的差异，及不同养护条件对低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥砂浆膨胀性能的影响。 ( 2 ) 封闭条件下，不同水胶比对混凝土膨胀性能的影响。探讨用饱和吸水的陶 粒等体积取代石子后，混凝土的膨胀性能：比较相同配合比不掺陶粒、掺陶粒及 掺不同种类陶粒的混凝土的膨胀性能差异，并结合实际工程材料比较几种不同胶 凝材料对混凝土膨胀性能的影响。 第二章原材料的选择 9 2 1 胶凝材料 2 1 1 水泥 第二章原材料的选择 2 1 1 1 快硬硫铝酸盐水泥 快硬硫铝酸盐水泥具有早期强度高的特点，3 d 强度即相当于同等级普通硅酸 盐水泥2 8 d 强度，且后期强度仍能稳定增长。此外，通过调节水泥中石膏的含量， 还能赋予水泥微膨胀、补偿收缩或自应力。硫铝酸盐水泥石中的膨胀相为钙矾石， 凝胶状钙矾石的吸水肿胀作用以及晶体状钙矾石对孔隙产生膨胀压力的共同作 用，是水泥石体积膨胀的驱动力，而且吸水肿胀作用比晶体膨胀作用大得多。 水泥石或混凝土的膨胀量主要决定于浆体中生成钙矾石的量，钙矾石对水泥 浆体性能的影响有两个方面t 大量的针状钙矾石晶体相互搭结，有利于浆体在早 期获得较高的结构强度：大量形成晶体，在混凝土内部形成了膨胀压力，有可能 会在混凝土内部结构中产生微裂纹，从而降低结构强度。 硫铝酸盐水泥浆体中钙矾石的生成量与水泥中a 1 ：0 3 和s 0 。含量有关，水泥浆 体膨胀率随着水泥中a 1 ：0 。s o 。比的减小而增大。而硫铝酸盐水泥水化产物主要为 钙矾石、c s h 凝胶和铝胶a l ：0 。h ：0 ( g e l ) 。因而，提供充足的s 0 。是形成足够钙矾 石的关键。当水泥中a l ：0 。s o 。减小时，相应地说明s 0 。含量增多，在铝胶和c ：s 水 化生成的c a ( o h ) ：共同存在的条件下，水化产物发生二次反应，在水泥石内部形成 更多的钙矾石晶体。由钙矾石的分子式( 3 c a 0 a 1 ：0 3 3 c a s 0 4 - 3 2 h ：0 ) 可知，当水泥中 铝硫比( 按质量比计算) 为o 4 2 时，理论上形成的钙矾石量最大，水泥石膨胀量亦 最高，但水泥石的结构强度同时受水化产物形成量和产物形貌的影响，因此，制 备早强膨胀混凝土选择的a 1 ：0 # s 0 。值应在一合适的范围内选择，以同时满足混凝 土的强度和膨胀性能的要求。 由于硫铝酸盐水泥具有良好的体积稳定性，还能够使混凝土具有较高的早期 强度，可以提高钢管混凝土的结构承载力。本研究中使用四川乐山富祥建材有限 公司生产的4 2 5 快硬硫铝酸盐水泥。其性能指标如表2 1 所示。 表2 1 硫铝酸盐水泥的主要性能 t a b l e2 1m a i np r o p e r t i e so fs u l p h a t ea l u m i n i u mc e m e n t 细度凝结时间( h ：r a i n ) m g o 安定性烧失量 抗折强度( m p a )抗压强度( m p a ) ( ) 初凝 终凝( )( 饼法)( )l d3 dl d3 d 1 9 0 0 ：1 20 0 ：2 1 1合格 1 6 56 84 0 94 7 8 1 0 第二章原材料的选择 2 1 1 2 低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥 低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥是在低热硅酸盐水泥的基础上调整水泥中的部分组 成含量，使其具有滞后的微膨胀性能，以补偿混凝土在降温、干燥失水过程中产 生的收缩，减少混凝土裂纹的产生，提高混凝土的耐久性，降低混凝土温控成本， 提高施工速度，避免或减少后期灌浆等。其膨胀机理是水泥在水化硬化过程中生 成适量的钙矾石，产生一定量的膨胀。钙矾石和晶体c - s - h 凝胶相互交织在一起， 相互制约，使得水泥强度与膨胀协调发展。本研究选用湖南石门特种水泥有限公 司生产的“坝道牌4 2 5 低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥。其主要性能指标如表2 2 所 示。 表2 2 低热硅酸盐( 微膨胀) 水泥的主要性能 t a b l e2 2m a i np r o p e r t i e so fl o wh e a tp o r t l a n dc e m e n t 比表凝结时间 烧 安 抗折 抗压 水化热 面积( h ：r a i n ) 失s 0 3 m 9 0 定 强度 强度 ( m z k g ) 量( )( ) 性 ( m p a )( m p a ) ( k j k g ) 初凝终凝( )3 d7 d3 d7 d3 d7 d 合 3 6 42 ：3 04 ：0 30 7 52 3 54 3 53 44 51 2 32 0 32 0 92 4 3 格 2 1 2 矿物掺合料 粉煤灰：重庆珞璜电厂级粉煤灰，性能指标见表2 3 。测试结果表明，所选 粉煤灰符合用于水泥和混凝土中的粉煤灰( g b l 5 9 6 - 2 0 0 5 ) 规定的i i 级灰技术 要求。 表2 3 粉煤灰性能指标 t a b l e2 3p e r f o r m a n c ei n d e xo ff l ya s h 细度( )含水率( )需水量比( )烧失量( ) 2 0o 0 3 9 91 4 5 矿渣：重庆腾辉新型建材有限公司生产，性能指标见表2 4 。测试结果表明， 所选矿渣符合高强高性能混凝土用矿物夕l - j l l 剂( g b t1 8 7 3 6 2 0 0 2 ) 规定的$ 9 5 级技术要求。 表2 4 矿渣性能指标 t a b l e2 4p e r f o r m a n c ei n d e xo fs l a g 需水量混合砂浆活性指数 含水率( )烧失量( ) ( ) 7 d2 8 d 9 87 71 0 5o 52 4 第二章原材料的选择 2 2 集料 2 2 1 细集料 砂的性能指标见表2 5 ，砂的颗粒级配曲线见图2 1 。 表2 5 砂的性能指标 t a b l e2 5p e r f o r m a n c ei n d e xo f s a n d 产地表观密度( g f c m 3 )含泥量( )有机物含量细度模数 岳阳2 6 32 合格 2 6 图2 1 细集料级配曲线 f i g 2 1g r a d i n gc u r v eo f f m ea g g r e g a t e 该砂的性能满足建筑用砂( g b t1 4 6 8 4 - - 2 0 0 1 ) 规定的i i 类砂技术要求。 2 2 2 粗集料 本研究中采用石灰岩5 2 0 m m 连续级配碎石，其性能指标如表2 6 所示。 表2 6 碎石的性能指标 t a b l e2 6p e r f o r m a n c ei n d e xo f c r u s h e da g g r e g a t e i来源针片状颗粒含量( )含泥量( )压碎值( )表观密度( g c m 3 ) l i东土 7 182 7 4 2 2 3 陶粒 钢管混凝土的收缩使核心混凝土与钢管壁之间容易产生脱空，造成结构的受 力强度大幅下降。配制钢管混凝土又需要较低的水胶比，为了补偿混凝土的收缩， 往往掺入一定量的膨胀剂，而膨胀剂补偿收缩作用的发挥又需要大量的水分以生 第二章原村料的选择 成具有膨胀特性的钙矾石；核心混凝土处于一个封闭的体系中，无法从外界获得 水分，因此，钢管混凝土体系的后期缺水问题较为严重。为解决钢管混凝土体系 中后期反应缺水问题，混凝土中掺入饱和吸水的陶粒，为混凝土中的膨胀组分继 续反应提供水分。 在钢管混凝土中陶粒起到以下几方面的作用：1 ) 使钢管混凝土中束水化的 水泥继续水化，为混凝上提供内养护。2 ) 为膨胀剂的膨胀作用提供水分。虽然膨 胀剂在整个胶凝材料中所占的比例不大，但是膨胀荆的膨胀作用是混凝土膨胀的 主要动力。陶粒所提供的水不仅可以增加钙矾石的生成量，而且可以为钙矶石吸 水肿胀提供大量的水。3 ) 吸水饱和的陶粒中的水在混凝土硬化后放出来，降低了 钢管混凝土内部的自干燥作用，从而减小了钢管混凝土的自收缩。 本研究重点在于考察陶粒后期释放水分的性能，不考虑陶粒类型与粒型对混 凝土性能的影响，所以只选择有代表性的陶粒：宜昌陶粒，其外观特性如图2 2 所示。 图2 2 宜昌陶粒 f i g2 2y i c h a n gh a y d i t e 按照轻集料及其试验方法( g b t1 7 4 3 11 - - 8 ) 对试验用陶粒进行筛分 陶粒的规范要求及筛分结果、级配曲线分别如表27 ，图2 3 所示： 裹27 宜昌陶粒级配 筛孔尺、r 累计筛余( ) 规范要求规范要求 ( n m ) 第一改第二次 均值 公称粒径5 1 6公称粒径5 2 0 2 0 o d 30 2 0 6 0 第二章原材料的选择 1 3 59 8 59 8 39 8 48 5 1 0 09 0 - - - 1 0 0 筛底 1 0 0 09 9 91 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 图2 3 宜昌陶粒级配曲线 f i g 2 3g r a d i n gc u r v eo f y i c h a n gh a y d i t e 宜昌陶粒为5 - - 1 6 r a m 粒级，最大粒径为1 6 m m ，按照轻集料及其试验方法 ( g b t1 7 4 3 1 1 一1 9 9 8 ) 对陶粒的性能指标进行检测，试验结果如表2 8 所示。 表2 8 陶粒的性能指标 t a b l e2 8p e r f o r m a n c ei n d e xo fh a y d i t e 堆积密度表观密度 密度等级筒压强度 种类 ( k g m 3 ) ( k g m 3 ) ( 级)( m p a ) 宜昌陶粒7 6 91 2 5 08 0 05 4 按照轻集料及其试验方法( g b t1 7 4 3 1 1 1 9 9 8 ) ，取4 l 样品，过5 o o m m 筛，等分称量后浸泡1 小时( 如有颗粒浮于水上须设法将其浸入水中) ，取出，滤 水1 - 2 分钟，然后倒在拧干的毛巾上，用手握住毛巾两端，使其成槽形，让骨料 在毛巾上来回滚动8 - 1 0 次，制成饱和面干试样，然后称量。吸水率按如下公式 计算： ：mi-mo100wo = 1 0 0 m o 式( 2 1 ) 式中：w 。骨料1 小时吸水率，；计算精度至0 1 ； m 浸水式样质量，g ； l 。广一烘干试样质量，g 。 陶粒1 h 吸水率试验结果如表2 9 所示，吸水率随时间变化规律如图2 4 所示。 第二章原材料的选择 表2 9 陶粒l h 吸水率 种娄