专利名称：复合膨胀剂及其在导流洞封堵混凝土中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合膨胀剂及其在导流洞封堵混凝土中的应用，属于建筑材料技
术领域。
背景技术：
导流洞是水电站枢纽工程施工的主要导流方式，它的主要功能是在截流后承担大坝工程施工期的江水过流。由于地形条件的限制，越来越多的河段采用全断面截流、隧洞导流的施工导流方式，同时考虑到工程效益、机组提前发电等建设要求，导流洞的规模不断刷新，渡汛标准和下闸后的挡水水头越来越高，为使封堵混凝土施工满足工期及结构上的要求，浇筑的封堵混凝土需在导流洞周围基岩的约束条件下，在一定时间内产生稳定的膨胀变形，以抵消水泥水化热产生的温降收縮，以及水化产生的自收縮。 水泥混凝土是一种水硬性胶凝材料，自浇筑成型开始并处于导流洞环境中的封堵混凝土，在其水化硬化的整个过程中，由于自身的水化反应主要存在着自收縮和温降收縮，约束条件下的收縮引起混凝土开裂，是造成导流洞工程发生渗漏质量事故的主要原因。导流洞混凝土典型的温度变化曲线如图1所示。 浇筑以后的导流洞封堵混凝土在4-7d由于水化热而温度上升，之后开始缓慢逐渐下降，2-3个月以后开始趋于与洞内温度一致并稳定。在这个过程中，由于水化的反应首先存在由于化学减縮引起的自收縮，此外更重要的是在降温的过程中存在温降收縮，如果不采取有效的措施，收縮会引起裂缝，尤其在混凝土和周围基岩的粘结处，从而造成渗漏等质量事故，严重者可能危及到水电站的安全运营。为了消除这一隐患，必须采取有效措施来确保在这整个温度历程范围内的体积稳定性。根据导流洞封堵混凝土设计要求，体积稳定性有两层含义首先，混凝土在浇筑成型和硬化的过程中，必须产生适度的膨胀以补偿自身的化学减縮、自收縮和温度收縮，且稳定以后仍然具有一定的微膨胀，对基岩产生一定的膨胀压应力；其次，膨胀率不能过大(跟强度和约束程度有关)，因为过度的膨胀不仅会引起混凝土自身的损伤，还会危害到结构的稳定性，即所谓的安定性不良。 针对导流洞混凝土的设计要求，在混凝土中使用微膨胀水泥或外掺膨胀材料，使混凝土在水化过程中产生体积膨胀抵消温度降低和水化作用造成的收縮变形，近年来在导流隧洞封堵混凝土的配制中逐渐得到了重视。掺用膨胀剂或采用膨胀水泥是改善水泥混凝土体积稳定性和抗裂性长期以来应用的主要手段之一，膨胀剂的主要特性是掺入水泥混凝土后，它的膨胀性能可以补偿混凝土硬化过程中的收縮，能起抗裂防渗作用，在限制条件下成为自应力混凝土。为了保障封堵混凝土的体积稳定性，在确定膨胀剂的品种和掺量的时候，其基本原则是首先要根据安定性确定膨胀剂掺量的上限，再在安定掺量范围内，确定膨
胀剂的种类和掺量，以配制得到早期和中期微膨胀，且后期稳定发展的混凝土膨胀曲线。
在导流洞封堵混凝土中应用较多的膨胀剂主要有钙矾石类膨胀剂和Mg0类膨胀剂。钙矾石类膨胀剂膨胀源主要是钙矾石(C3A 3CaS04 32H20)，其膨胀效能大，但其水化速率快，膨胀主要发生在早龄期(7d左右)，膨胀后的收縮落差大，对水泥基材料的中后期收縮补偿作用不明显，因此在绝湿的条件下掺钙矾石类膨胀剂往往还有后期收縮的趋势。此类膨胀剂还存在需水量大，需加强湿养护，而导流洞工程通常不具备这样的养护条件。此外，在温度升高的情况下，钙矾石类膨胀剂在后期还有可能发生延迟性钙矾石反应，造成工程隐患。相对而言，我国从上世纪70年代就开始研究把MgO膨胀剂用于补偿大坝混凝土的温降收縮，从而形成了拥有自主知识产权的Mg0混凝土筑坝技术。这种用于水工大坝的Mg0膨胀剂只能在后期(常温下60d-180d)发挥作用，对大体积混凝土的温降收縮有较好的补偿作用，但对早期收縮的补偿作用不大。更为重要的是，在确定膨胀剂掺量的时候，首先要满足安定性的要求，安定性的检测是一种加速试验方法，主要检验膨胀剂产生的膨胀对于水泥混凝土结构的损伤，而高温煅烧的氧化镁由于最终膨胀效能大，因此在压蒸试验时，安定掺量非常有限，仅靠单一的这种膨胀剂无法满足导流洞封堵混凝土的体积稳定性要求。浙江大学、浙江工业大学等单位通过多年的深入研究，提出了钙矾石类膨胀剂和高温煅烧氧化镁膨胀剂复合的"双膨胀"水泥的理论，而对双膨胀复合外加剂的研究却很少，并且也不能从根本上解决钙矾石类膨胀剂应用于大体积混凝土的问题。
发明内容
本发明提供一种复合膨胀剂，用于导流洞封堵混凝土，能够全过程地补偿混凝土的自收縮和温降收縮，使得封堵混凝土在早期和中期产生较大的膨胀，并对基岩形成一定的预压应力，且膨胀后的水化产物性能稳定，不产生回縮现象，有效保证封堵混凝土的体积稳定性。 本发明还提供所述复合膨胀剂在导流洞封堵混凝土中的应用。 本发明所采取的技术原理根据封堵混凝土的温度和水化历程，早期和中期产生的自收縮和温降收縮较大，需要大的膨胀来补偿，并对基岩形成一定的压应力；后期的自收縮和温降收縮较小，需要微量的微膨胀来补偿，使其不收縮，以稳定早期形成的膨胀预压应力。本发明通过实验研究发现，氧化镁膨胀材料的膨胀特性与其煅烧温度有着很大的关系，尽管菱镁矿的理论分解温度为650°C _7001:，但是在高于此理论分解温度的不同温度下煅烧出来的氧化镁结晶形态和晶格畸变程度有着很大不同，并直接影响到其水化后具有不同的膨胀特性。在70(TC _8501:低温煅烧的氧化镁在常温条件下，在水化的早期和中期(l-28d)就能产生较大的膨胀，其水化程度超过了 80%，对于封堵混凝土早期和中期的膨胀有利，且采用安定性评定方法——压蒸法GB/T 750-92《水泥压蒸安定性试验方法》评定时，其安定掺量可以超过10%，因此可以用来为封堵混凝土提供早期和中期的大膨胀，但是由于它水化快，因此不能补偿后期的自收縮和温降收縮；而在95(TC -IIO(TC高温煅烧的氧化镁，在常温条件下反应活性很小，但是在温度升高的条件下，可以在中期和后期(28d-180d)产生微膨胀，其安定掺量一般不超过3-4%，可以用来补偿封堵混凝土的后期收縮。基于这一思想，本发明提出采用低温煅烧的氧化镁提供早期和中期的微膨胀补偿早期的自收縮，采用高温煅烧的氧化镁提供后期微膨胀以补偿温降收縮和后期的自收縮。
所述复合膨胀剂由5% 25%的第一组份和75% 95%的第二组份组成，其中第一组份为水化活性值为40 90s的氧化镁，第二组份为水化活性值为180 240s的氧化镁，所述百分比为质量百分比。其中，第一组份的水化活性优选为50 80s，第二组份的水化活性优选为210 230s。
作为本发明的优选方案，所述第一组份的MgO含量^ 85%，烧失量《5%，第二组份的的MgO含量^ 85%，烧失量《5%。所述第一组份为700 85(TC低温煅烧的氧化镁，第二组份为950 IIO(TC高温煅烧的氧化镁。所述低温或高温煅烧的氧化镁，其原料和具体工艺均为现有技术，作为优选方案，可由菱镁矿煅烧40 80min后，在空气中急冷得到。作为优选方案，用80 y m水泥分析筛检测，所述第一、二组份的筛余均为3% -10%。
所述复合膨胀剂由上述组分按照所述的比率混合而成。 所述复合膨胀剂用于补偿导流隧洞封堵混凝土收縮时，可由本领域普通技术人员根据工程需要确定其掺量，优选的掺量为等质量取代导流洞封堵混凝土中胶凝材料总量的7 12%。 本发明针对导流洞封堵混凝土体积稳定性的特殊要求，采用不同煅烧温度的氧化镁膨胀剂复合，与现有技术相比，所采取的膨胀源为不同温度煅烧的氧化镁水化而成氢氧化镁，既避免了在大体积混凝土中使用钙矾石类膨胀剂容易引起延迟性钙矾石和后期膨胀回落的问题，又解决了仅使用高温煅烧的氧化镁安定产量过低，早期和 中期膨胀效能不足的问题。在导流洞封堵混凝土中使用本发明，能够全过程地补偿混凝土的自收縮和温降收縮，使得封堵混凝土在早期和中期产生较大的膨胀，并对基岩形成一定的预压应力，且膨胀后的水化产物性能稳定，不产生回縮现象，有效保证封堵混凝土的体积稳定性。
图1是典型的导流洞封堵混凝土的温度历程； 图2是实施例1中封堵混凝土的自生体积变形曲线； 图3是实施例2中封堵混凝土的自生体积变形曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1 用颚式破碎机将菱镁矿破碎为粒径< 2cm的颗粒小块；将破碎后的菱镁矿生料矿石颗粒在75(TC下煅烧，并在此温度下保温80min，空气中冷却至室温；然后用球磨机将煅烧产物粉磨至一定细度，用柠檬酸法检测其水化活性，用X荧光分析仪检测其MgO含量，并测试其烧失量，得到第一组分，具体检测指标如下 第一组分水化活性为58s，细度(80iim筛筛余)为3. 5%， MgO含量为89%，烧失量4. 5%。 用颚式破碎机将菱镁矿破碎为粒径< 2cm的颗粒小块；将破碎后的菱镁矿生料矿石颗粒在100(TC下煅烧，并在此温度下保温40min，空气中冷却至室温；然后用球磨机将煅烧产物粉磨至一定细度，用柠檬酸法检测其水化活性，用X荧光分析仪检测其MgO含量，并测试其烧失量，得到第二组分，具体检测指标如下 第二组分的水化活性为200s，细度(80iim筛筛余)为4. 8X，MgO含量为91%，烧失量2. 5%。
然后将二者按如下质量百分比进行复配第一组分12% ;第二组分88%，得到复合膨胀剂。
封堵混凝土的配合比为(质量比) 水泥粉煤灰砂石水=164 : 85 : 723 : 1178 : 138。 混凝土的7d抗压强度为15MPa， 28d抗压强度为26MPa。 在上述混凝土配合比中掺入上述复合膨胀剂，掺量为8%，作为对比，另外两组分别掺同样掺量的上述第一组分(简称M1)，一种市售钙矾石类膨胀剂(E)，测试混凝土在导流洞实际温度历程下(如图1所示)的自生体积变形，试验方法参照《水工混凝土试验规程》(SL 352-2006)，结果如图3所示。图中对比的的试验结果表明，相对于其他两种膨胀剂，掺本发明复合膨胀剂的混凝土膨胀值在降温阶段较稳定，有利于补偿混凝土的温降收縮，以形成对于基岩稳定的膨胀压应力，而对比样均出现了后期回落的现象。
实施例2 用颚式破碎机将菱镁矿破碎为粒径< 2cm的颗粒小块；将破碎后的菱镁矿生料矿石颗粒在85(TC下煅烧，并在此温度下保温80min，空气中冷却至室温；然后用球磨机将煅烧产物粉磨至一定细度，用柠檬酸法检测其水化活性，用X荧光分析仪检测其MgO含量，并测试其烧失量，得到第一组分，具体检测指标如下 第一组分水化活性为75s，细度(80iim筛筛余)为3.8%， Mg0含量为90X，烧失量4. 6%。 用颚式破碎机将菱镁矿破碎为粒径< 2cm的颗粒小块；将破碎后的菱镁矿生料矿石颗粒在105(TC下煅烧，并在此温度下保温60min，空气中冷却至室温；然后用球磨机将煅烧产物粉磨至一定细度，用柠檬酸法检测其水化活性，用X荧光分析仪检测其MgO含量，并测试其烧失量，得到第二组分，具体检测指标如下 第二组分的水化活性为225s，细度(80iim筛筛余)为4. 2X，MgO含量为92%，烧失量1. 5%。 然后将二者按如下质量百分比进行复配第一组分25% ;第二组分75%，得到复合膨胀剂。
封堵混凝土的配合比为 水泥粉煤灰砂石水复合膨胀剂=251 : 108 : 702 : 1046 : 156 : 31。 混凝土 28d抗压强度为29MPa。 混凝土在20°C时的自生体积变形见图3，混凝土的早期膨胀效能大，后期无收縮。
权利要求
一种复合膨胀剂，其特征在于由5％～25％的第一组份和75％～95％的第二组份组成，其中第一组份为水化活性值为40～90s的氧化镁，第二组份为水化活性值为180～240s的氧化镁，所述百分比为质量百分比。
2 如权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于第一组份的水化活性优选为50 80s，第二组份的水化活性优选为210 230s。
3. 如权利要求1所述的复合膨胀剂，其特征在于所述第一组份的MgO含量^ 85%，烧失量《5X，第二组份的的MgO含量^ 85%，烧失量《5%。
4. 如权利要求1-3中任一项所述的复合膨胀剂，其特征在于所述第一组份为700 85(TC低温煅烧的氧化镁，第二组份为950 IIO(TC高温煅烧的氧化镁。
5 如权利要求4所述的复合膨胀剂，其特征在于所述第一、二组份均由菱镁矿煅烧40 80min后，在空气中急冷得到。
6. 如权利要求1-3中任一项所述的复合膨胀剂，其特征在于用80 ii m水泥分析筛检测，所述第一、二组份的筛余均为3% -10%。
7. 权利要求1-6中任一项所述的复合膨胀剂在导流洞封堵混凝土中的应用。
8. 如权利要求7所述的复合膨胀剂在导流洞封堵混凝土中的应用，其特征在于所述复合膨胀剂等质量取代导流洞封堵混凝土中胶凝材料总量的7% 12%。
全文摘要
本发明涉及一种复合膨胀剂及其在导流洞封堵混凝土中的应用，能有效保证封堵混凝土的体积稳定性。所述复合膨胀剂由5％～25％的第一组份和75％～95％的第二组份组成，其中第一组份为水化活性值为40～90s的氧化镁，第二组份为水化活性值为180～240s的氧化镁，所述百分比为质量百分比。其中，第一组份的水化活性优选为50～80s，第二组份的水化活性优选为210～230s。所述复合膨胀剂用于补偿导流隧洞封堵混凝土收缩时，优选的掺量为等质量取代导流洞封堵混凝土中胶凝材料总量的7～12％。本发明可使得封堵混凝土在早期和中期产生较大的膨胀，且不产生回缩现象，有效保证封堵混凝土的体积稳定性。
文档编号C04B22/06GK101786819SQ20101001870
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月22日 优先权日2010年1月22日
发明者刘加平, 周伟玲, 张守治, 田倩, 缪昌文 申请人:江苏博特新材料有限公司;江苏省建筑科学研究院有限公司;南京道鹭建设材料厂