文摘

氧化镁的膨胀机理的液压水泥作为小说的液压水泥了。各向异性结晶导致晶体生长的压力,导致体积膨胀,同时增加整个系统的孔隙度。孔隙度和扩张之间的理论关系进行了分析。给出一个基本的方法预测膨胀剂的膨胀率考虑内容分别以广阔的液压水泥。一个简洁的计算方程,提出了最终的扩张。孔隙度和扩张之间的理论关系。氧化镁膨胀的抗压强度和耐久性分析了液压水泥考虑孔隙度变化并与液压水泥。如果膨胀率超过0.8%,机械性能和耐久性的变化引起的孔隙度应考虑。如果使用氧化镁膨胀混凝土与实际结构,抑制生成额外的压应力和孔隙度减少,相比之下,在自由膨胀。特别是,加工硬化胶凝复合材料,在扩张中的纤维复合有利于细化裂缝和提高这些材料的自愈能力当暴露于潮湿环境。 This paper describes the expansion mechanism and properties of magnesium oxide expansive hydraulic cement for engineering applications.

1。介绍

消除液压水泥混凝土结构裂缝是一个全球性的问题;消除裂缝是必要的改善这些结构的耐久性,节约维修成本。液压水泥通常指的是波特兰水泥和矿渣水泥;它有一个非常广泛的应用在世界各地和预计将广泛用于未来。这种水泥集和通过化学反应和水变硬,水下有能力这样做。包含液压水泥混凝土水下小体积膨胀。然而,当暴露于大气状况和内部或外部的限制,它总是产生热收缩和干燥收缩引起的裂缝;这些裂缝可能引起问题的结构稳定性和耐用性在不同级别(1]。热收缩和干燥收缩产生的水化和水蒸发(或消费)和混凝土包含水很难消除。

保持混凝土的体积稳定性或减少干燥收缩(或热收缩),广阔的液压水泥包含广泛的代理或一个广阔的组件进行了研究和利用过去半个世纪;特别是,补偿收缩混凝土使用世界范围内(2- - - - - -10]。这三个常见的膨胀部分膨胀液压水泥是基于钙sulfoaluminate曹(4 * 3₂O₃·所以₃)、氧化钙(曹)和氧化镁(分别)。钙sulfoaluminate膨胀液压水泥多年以来一直在研究[3,11- - - - - -14]。燕et al。15,16)发现,钙的补偿收缩效应sulfoaluminate在巨大的混凝土结构使用时不能完全利用时,固化温度高于70°C的分解钙矾石,这是钙的主要水化产物sulfoaluminate广阔的代理。与曹膨胀剂相比,采用膨胀剂具有显著优势由于其可被识别的扩展属性(17因为采用的水化速度相对容易控制在生产过程中通过控制不同煅烧条件下。自1970年代以来,分别被用作膨胀剂补偿大体积混凝土的热收缩,在中国尤其是在大坝混凝土;它广泛用于研究活动和工业应用17- - - - - -19]。此外,膨胀剂自修复混凝土矿物掺合料用于提高性能主要是因为他们的扩张效应20.]。此外,证明了采用膨胀剂的合适剂量的利用率高潜力作为一种新的修复方法,裂缝的混凝土(21- - - - - -23]。Moradpour et al。24)发现,添加nano-MgO衰老期间增加了水泥复合材料的机械强度在一定程度上,这些材料的渗透率降低。这是因为水泥复合材料的微观结构与nano-MgO比正常更紧凑和均匀复合材料因为nano-MgO膨胀效应。

因此,分别以广阔的扩张机制和动态液压水泥应全面理解以确定的最佳用量分别为实际施工期间使用,避免过量,以免损害混凝土结构。烧的扩张机制分别由Chatterji和曹首次研究了基于晶体生长压力、氢氧化溶解性的晶体,其增长模式和扩散的离子通过水泥水化产物形成的双电层(25,26]。根据上述机制,莫等人建立了一个图像的模型采用膨胀剂考虑的内部孔隙结构膨胀剂但不能模拟膨胀过程和扩张机制采用膨胀剂混凝土(17,27]。膨胀过程和扩张机制需要明确确定补偿收缩混凝土的主要设计参数,这主要是依赖于膨胀剂的类型和内容,液压水泥矩阵,和环境条件的混凝土结构(28,29日]。同样,扩张和力学性能和耐久性的关系应该研究。

本文讨论不仅结晶压力理论解释的扩张机制采用的液压水泥还预测方法的一个基本考虑到膨胀剂的膨胀速度内容分别以广阔的液压水泥。一个简洁的计算方程,提出了最终的扩张。高压釜试验讨论确定最终的扩张。孔隙度和扩张之间的理论关系。在此基础上,扩张之间的联系,讨论了力学性能和耐久性。进一步研究混凝土在约束条件下和实证研究。

2。采用膨胀剂

采用的液压水泥是水硬水泥的混合物,采用膨胀剂,负责扩张。液压水泥和混合采用膨胀剂可以进行水泥生产过程中或在混凝土搅拌。由于采用膨胀剂对煅烧条件非常敏感,特别是煅烧温度,精确控制温度和停留时间和均匀加热镁是极其重要的维持采用膨胀剂的质量(17]。制造业广泛采用液压水泥或补偿收缩混凝土,采用膨胀剂必须单独制造,符合标准。第一和最新标准采用膨胀剂用于混凝土是由中国建筑材料联合会和中国混凝土和水泥基产品协会(2017年30.]。根据这一标准,产品应当符合规定的化学和物理需求表1。

3所示。扩张

3.1。扩张机制

水化产品采用膨胀水泥包括液压水泥的水化产物和氢氧化镁(毫克(哦)₂)因为液压水泥的水化反应和采用膨胀剂是相对独立的。水化的分别以收益按照下列方程,计算和体积变化如下:

的比重值分别以和Mg(哦)₂计算中使用的是3.6和2.3。发现系统作为一个整体进行净体积收缩大约13%,和固体体积增加了大约126%。与水和水泥混合后,分别以颗粒直径在微米接触水,将水膜覆盖。在与水接触时,首先分别溶于水。解散分别将增加镁离子的浓度在水膜,和Mg(哦)₂水晶成长过度饱和。忽视解散毫克(哦)₂,溶解度约为0.00064克/ 100毫升(25°C)在水里,都分别发生水合作用形成毫克(哦)₂需要一个water-MgO根据方程(质量比超过0.451)。结晶的毫克(哦)₂分别以粒子的表面可能会出现随机,水泥水化水泥颗粒,或凝胶。毫克的晶体大小(哦)₂最初将在纳米范围,然后增加到千分尺的水平(6]。如果一个毫克(哦)₂水晶是局限,音量增加或结晶压力将导致水泥硬化浆体的膨胀。Steiger [31日,32)提供以下热力学相容方程的计算产生的压力在晶体生长在多孔材料: 在哪里是晶体生长晶面的压力 ,R气体常数,T绝对温度,氢氧化镁的摩尔体积,一个在压力下是水晶的平衡活动吗 , 大的平衡活动参考水晶在环境的压力下,的表面自由能是crystal-liquid接口在第i个晶面,然后呢和创建表面的面积和体积改变了在第i个晶面在增长,分别。极限情况的一个非常大的晶粒大小大于大约0.1 - 1µm,界面能的术语就消失了。

方程(2)表明,晶体生长压强是扩张的主要原因。结晶会发生随机的过饱和溶液;后来,随着晶体体积增加,晶体生长压力增加。根据程度的解释(31日,32电影必须存在),一个解决方案,将加载一个水晶的约束;增长的加载面水晶只能施加压力,如果这张脸是过饱和溶液接触。晶体生长压力理论是有效利用理解机制的扩张,但是很难连接微观晶体性质与宏观硬化水泥浆或直接具体的属性。此外,估计孔隙的过饱和度计算解决方案显然是不切实际的结晶压力。

基于结晶压力理论,有三个主要阶段采用的水合作用。在第一阶段,结晶发生在水泥粘贴或混凝土塑料;在下一阶段,结晶发生没有限制,因为晶体尺寸相对较小。以上两个阶段不会导致水泥系统的扩张。在第三阶段,在水泥浆或混凝土硬化和Mg(哦)₂水晶是克制,结晶造成的压力,导致扩张。

3.2。动态的扩张

分别在液压水泥的水化动力学系统是高度复杂的,因为它是结合水泥的水化和受到环境因素如孔隙溶液的影响,温度,湿度和强烈取决于表面缺陷的浓度分别以晶体(17,33,34]。不同类型的分别,在不同的温度下煅烧,将显示不同的水化性能不同的水化反应活性。采用一般以高反应活性煅烧大约在600°C发生水合作用迅速,从而导致在早期快速扩张,然后扩张停止在很短的时间内大约14 d [17]。根据实验Kasselouris et al。35],方镁石的水化,或重烧氧化镁MgO,通常与非常低的煅烧大约在1450°C的反应在水泥贴达到73.4%的价值有限的水养护时代大约六年了。的火山灰活性材料具有良好的火山灰活性增加,分别以降低的水合作用。Majumdar和Rehsi36)表示,新增的确切机制粉粉煤灰或其他类似的活性二氧化硅材料减少波特兰水泥的高压釜扩张包含大比例分别以允许水平尚不清楚。如果采用的水化环境是稳定的,扩张应是一个连续不断的过程,通过它扩张将无限接近最大值假设水化的分别以最终将达到100%。元(37)提出了一个双曲线模型模拟镁质膨胀液压水泥混凝土的膨胀过程,见以下方程: 在哪里扩张在时间吗t,t是时间,是最终的扩张,然后呢α是一个因素控制的膨胀剂类型、液压水泥矩阵,和环境条件。

在实际混凝土结构中,活性氧化镁的水化是一个无限像水泥的水化过程。如果可以确定最终的扩张,扩张分别以广阔的液压水泥混凝土可以在任何时候使用方程(近似计算3)。

3.3。最终扩张

分别以扩张膨胀液压水泥是由两种力量,即结晶压力引起的过度饱和和结晶量,都是相对于膨胀剂内容根据上述分析。一个可能的膨胀率计算方程如下: 在哪里是最终的扩张(%),β是一个因素控制的膨胀剂类型和类别,液压水泥矩阵,和环境条件,然后呢C是膨胀剂内容的质量(%)。

采用膨胀剂水化将被触发时,与水混合。在塑性阶段的新鲜混凝土、结晶不会导致压力没有限制。这是曹膨胀剂的原因极快的缺点与水混合时反应速率和更低的贮存稳定性当暴露于大气中;这降低了其扩张效率补偿收缩混凝土(38]。一般来说,最终的扩张与膨胀剂含量的增加会增加。当最终扩张超过一个特定值或膨胀剂含量增加到某个值,整个凝胶系统分解和失去力量。

3.4。确定最终的扩张

水化的分别是一个长期像液压水泥的水化反应,一般不可能测量最终扩张。加速水化过程中,额外的压力和高温应用。直到目前为止,对于测试液压水泥的稳健,高压蒸汽膨胀测试(216°C, 2 MPa,和3 h)用于确定曹的潜在水化引起的推迟扩张或采用,或者两者都是,当出现在液压水泥(39,40]。由于潜在的安全隐患,并不是所有的测试实验室获得测试设备,米歇尔(41)发现之间存在很好的相关性标准ASTM C151高压釜结果和沸腾3 - h和80°C (176°F)水养护扩张值。然而,小扩张值将引入困难的方法的精密度和准确度和固有的可变性多个棱镜产生使用相同的混合物。虽然莫et al。42)得出的结论是,固化温度为80°C (176°F)是远低于216°C (420.8°F),更少的内部热应力可能引起混凝土和水泥水化产物没有严重的破坏将导致;因此,从这个加速实验测试结果可能更可靠。然而,高压蒸汽膨胀测试仍然是最合适的测试确定的最终扩张分别以广阔的液压水泥或混凝土的实验结果高et al。43]。根据水泥贴高压釜试验结果得到米歇尔(41),具体的得到高et al。43),方程(4)应用于获得扩张和分别以内容之间的关系,拟合曲线如图1用r平方值分别为0.99和0.94。事实上,即使是在高压釜试验,水化反应不会达到100%完成。假设最终扩张决定通过高压釜试验接近,在实际情况下,方程(4)是可以接受的计算最终的膨胀率的因素β是证实。

4所示。属性

4.1。扩张和孔隙度

采用水化过程中,有三个主要阶段,可能发生在同一时间,但在不同的时间占主导地位。在前两个阶段,反应分别以颗粒溶解,让毛孔在整个系统中,然后小毫克(哦)₂晶体生长自由来填补这些毛孔没有生成晶体生长的压力。第三阶段主要是在结晶,扩张主要是由晶体生长引发的微裂隙压力在整个系统。这一阶段将增加孔隙体积。这个假设孔隙度的增加导致整个系统的体积增加,见以下方程: 在哪里是系统的体积膨胀之前,是系统的原始孔隙度在扩张之前,扩张后的孔隙度,后的膨胀速度扩张。孔隙度在方程(5)如下:

这个方程表明扩张将系统中增加气孔的数量。根据ASTM C151,膨胀率限制水泥的安定性是维持在0.8%。假设原始孔隙度为10%,与0.8%的速度扩张后,孔隙度为12.12%,计算使用方程(6)。扩张后的孔隙度增加率0.8%的速度是21.2%。如果膨胀率超过0.8%,机械性能和耐久性的变化引起的孔隙度应考虑。孔隙度之间的关系和膨胀率不同的原始疏密度如图2。

4.2。扩张和抗压强度

事实上,减少固体材料的孔隙度增加其强度,水泥基材料的强度特别是是公认的很久以前44,45]。随着扩张孔隙度的增加,它应该有一个角色在决定混凝土的力学性能之间的关系。陈等人。44)评价水泥砂浆的porosity-strength关系使用以下方程: 在哪里抗压强度,在零孔隙度、抗压强度失败的渗流孔隙度阈值,是系统的孔隙度。理论公式的应用实验数据产量常数等于69.4和水泥砂浆等于56.2%。

而孔隙度为56.2%,水泥矩阵分解如图3和膨胀率计算方程(6)是21%,假设原始孔隙度为25%(砂浆抗压强度是30 MPa的孔隙度为25%计算使用方程(7))。它靠近高压蒸汽在另一项研究结果(41];膨胀率超过18.89%时,试样被压碎。结合方程(6)和(7),扩张后砂浆的抗压强度, ,给出以下方程:

方程(8)显示后膨胀率和抗压强度之间的关系扩张。越来越膨胀率将减少液压水泥系统的抗压强度。这个方程不考虑水泥的水化,这将持续很长时间,将改善孔隙结构,降低孔隙度,然后增加抗压强度在某些层面上。

4.3。扩张和耐久性

从的角度的三个阶段分别以水化上面所讨论的,分别以使孔隙结构的水合作用部分密集或孔隙的弯曲度增加,这将提高耐久性;进一步,如果高发生扩张、高孔隙度将降低耐久性。蔡等人调查了持久性属性,包括碳化、冻融、氯离子渗透、硫酸和阻力,含有5%的粉煤灰混凝土采用粘结剂的质量作为膨胀剂(46]。实验结果表明,混凝土的抗压强度和耐久性特点在长期老化略有改善。高et al。47]发现冻融期间测试使用ASTM C666的步骤执行,当采用膨胀剂的含量从0%提高到4%和8%,碾压混凝土的强度和质量损失减少。当采用膨胀剂的含量从8%上升到12%,碾压混凝土的强度和质量损失增加。氧化镁MgO含量相对较低,不到5%的质量绑定,大多数水化产品活性分别作为填充剂的混凝土孔隙的弯曲度,增加毛孔。高et al。48)还发现,粉煤灰可以抑制自体与采用膨胀剂混凝土的体积膨胀,并变得更加显著提高粉煤灰的影响的内容。他们得出的结论是,microexpansion分别关闭毛孔引起的混凝土粘贴,使结构密度;这可能补偿混凝土的收缩,减少开裂混凝土工程,提高混凝土的耐久性。Goncalves等人发现了一个机械的整体下滑和大幅度降低性能使用分别和好的再生混凝土骨料,但增强的收缩行为中观察到所有MgO-containing标本(49]。Runxiao张和蹄兔k Panesar发现活性氧化镁作为替代硅酸盐水泥不仅带来了潜在的减少建筑材料的含碳量也带来了不确定性在碳酸MgO-Portland水泥系统的体积稳定性碳化养护和硫酸接触50]。

补偿收缩混凝土或膨胀混凝土,需要更多的扩张来弥补收缩或收缩,分别以内容应高于5%。然而,似乎分别以改善耐久性的适宜用量小于5%。需要进一步的实验证实了这一点,还需要更多的实验研究采用膨胀混凝土在载荷联合作用下的耐久性性能(51- - - - - -58]。

5。通过抑制扩张

在现实混凝土结构中,混凝土材料的扩张一直是限制混凝土的增援部队。一方面,抑制将减少扩张,降低孔隙度与自由膨胀相比。胡和李59]研究高性能的粉煤灰混凝土(明矾石和石膏基膨胀剂),发现在治疗可以改善膨胀混凝土的微观结构,特别是通过加强和致密化paste-aggregate接口。另一方面,约束会导致压力,通常称为压应力,混凝土材料在混凝土结构的使用寿命。Wittmman et al。60发现应用程序的一个温和的压应力,应力高达35%的极限应力,降低混凝土的氯离子扩散系数。总之,扩张下抑制预计紧凑的孔隙和微孔隙。同样,考虑水分运输水泥基材料的物理过程,既直接影响使用寿命和耐用性(61年,62年约束下,扩张阻碍水分运输。此外,为加工硬化胶结复合材料(SHCC),有较高的应变能力和抵抗钢筋腐蚀(63年,64年),纤维会导致内部约束引起的类似添加增援。张等人发现,采用膨胀剂可以显著提高SHCC的裂纹愈合效率水雾养护条件下(65年]。采用膨胀剂的可被识别的扩张,改善的自愈能力SHCCs使用广泛采用液压水泥是可能的(66年]。据预测,调节扩张的胶结材料采用膨胀剂结合纤维是一种新型的和有前途的方法来改善SHCCs的自愈能力和耐久性。总之,如果膨胀混凝土约束,会产生额外的压应力和孔隙度将降低相比,在自由膨胀。显然,采用合适的剂量应确定使用膨胀混凝土(67年- - - - - -72年]。

6。结论

(1)基于结晶压力理论,至少有三个主要阶段采用的水合作用。在第一阶段,结晶发生在水泥粘贴或混凝土塑料;在接下来的阶段,结晶发生没有限制,因为晶体尺寸相对较小。以上两个阶段不会导致水泥系统的扩张。在第三阶段,水泥浆或混凝土硬化和晶体是克制的,生产结晶压力,从而导致扩张。(2)在实际混凝土结构中,水化的分别是无限像水泥的水化过程。如果可以确定最终的扩张,扩张采用膨胀混凝土可以预测大约在任何时候使用方程(3)。一般来说,最终的膨胀率将增加与增加膨胀剂的内容。当最终扩张超过某个值或扩张的内容增加到某个值,整个凝胶系统将瓦解。高压釜扩张测试目前最合适的测试来确定最终的膨胀率分别以广阔的液压水泥或混凝土。(3)模型解释孔隙度之间的关系提出了扩张和膨胀率后,随着方程计算后砂浆的抗压强度扩张而考虑孔隙度。(4)的观点的三个阶段分别以水化,水化的分别会使孔隙结构部分密集或增加孔隙的弯曲度,这将提高耐久性性质;然而,如果高扩张时,高孔隙度会引起持久性属性。如果膨胀率超过0.8%,机械性能和耐久性的变化引起的孔隙度应考虑。进一步实验研究应该进行不同类型的采用膨胀剂来验证扩展机制,确定最终的膨胀率,并提出适合采用剂量分别以广阔的液压水泥或混凝土。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

金波杨的构思和设计。金波和杨李思齐分析数据。李思齐,邺城峰,金波杨写道。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51208013)。