摘 要

对于混凝土制品而言，混凝土早期的收缩与膨胀并不重要，混凝土后期的体积稳定性最重要，如何让浇注的混凝土在混凝土硬化后期不收缩或产生微膨胀，这与膨胀剂中膨胀物质的水化速度有很大关系。本次课题研究的主要内容就是如何控制氧化钙和氧化镁水化速率，使之在前期不水化或少水化，而正好在混凝土后期产生收缩时，经高温煅烧的氧化钙和氧化镁开始水化，产生膨胀性物质来体现其膨胀性能，弥补混凝土的收缩。

分别在1100℃、1200℃、1300℃的高温下将氧化钙煅烧一小时，将氧化镁分别在900℃、1000℃、1100℃的高温下煅烧一小时，将不同温度下煅烧过的氧化钙和氧化镁作水泥混凝土的膨胀源（它们水化后会生成氢氧化物，体积产生膨胀），以不同比例掺入，探讨水泥砂浆膨胀性，并且分析实验规律。采用X射线衍射分析各类膨胀剂水化产物的物相进行分析，比较其水化进程。由此来研究膨胀剂的种类与混凝土膨胀性能的变化规律以及影响掺有膨胀剂的混凝土后期膨胀性能的因素。

研究结果表明：氧化钙与氧化镁的水化速率与煅烧温度以及研磨细度有明显关系。同温度下煅烧的氧化钙以及氧化镁，当细度越小时，水化速率越快。同种细度下的氧化钙及氧化镁，当煅烧温度越高时，水化速率越慢。并且前期氧化钙的水化速率明显快于氧化镁的水化速率。因此，控制好氧化钙以及氧化镁的煅烧温度以及细度来制作膨胀剂可以让其在规定的时间适宜的膨胀量。

关键词： 氧化钙 氧化镁 活性 水化 膨胀剂

ABSTRACT

For concrete products, the early contraction and expansion of concrete is not important, concrete^，s later volume stability is the most important. To make the casting concrete not shrink or micro expansion, it is related to the hydration speed of expansion agent. The main content of this research is how to control the hydration speed of calcine oxide and magnesium oxide hydration rate., and let it react less at the early stage, When the concrete is shrinked in the later stage of contraction, the high temperature calcined calcium oxide and magnesium oxide began to react and expand, making up the shrinkage of concrete.

This experiment is to make the calcium oxide calcine for an hour at 1100℃, 1200 ℃and1300℃, make the magnesium oxide calcine for an hour at 900℃, 1000℃and 1100℃. To make the calcium oxide and the magnesium oxide calcined at different temperatures as a expansion source (it react with water and generate hydroxide, and the volume is expanded). Mixing in different proportion and analysis the experimental law. Using XRD to analysis the hydration product for different kinds of expansion, compare the hydration process. Finally, to research the relationship between the type of expansive agent with expansion property , and the influence factor for later expansion property.

Research results show that, the hydration rate of calcium oxide and magnesium oxide is clearly related to the calcination temperature and the fineness of grind. When calcining at the same temperature, the smaller the fineness is, the faster the hydration will be. When at the same fineness, the higher the calcination temperature is, the faster the hydration will be. The hydration of calcium oxide is faster than the hydration of magnesium oxide at the early stage. Therefore, when controlled at right calcination temperature and fineness, the calcium oxide and magnesium oxide can achieve the appropriate amount of expansion at the specified time.

KEYWORDS Calcium oxide ；Magnesium dioxide；Active；Hydration

Expansive agent

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 膨胀剂的研究背景与意义 1

1.1.1 水泥基材料的收缩 1

1.1.2 补偿收缩的模式 2

1.2 膨胀剂在国内外的研究现状 4

1.2.1 膨胀剂的诞生 4

1.2.2 膨胀剂的发展历史 5

1.3 研究内容和技术方案 6

1.3.1 氧化镁的物理化学性质 6

1.3.2 氧化镁膨胀剂的特点 6

1.3.3 氧化钙的物理化学性质 6

1.3.4 氧化钙膨胀剂的特点 7

1.3.5 研究的主要内容及技术方案 7

第2章 实验原材料及方法 8

2.1 原材料 8

2.1.1 氧化镁以及氧化钙的煅烧制度 8

2.1.2 氧化镁以及氧化钙的细度 8

2.2 试验方法 9

2.2.1 水泥砂浆膨胀率试验 9

2.3 微观分析测试方法 9

2.4 本章小结 10

第3章 氧化钙与氧化镁膨胀性能比较 11

3.1 掺氧化钙膨胀剂与氧化镁膨胀剂的水泥砂浆膨胀率 11

3.2 本章小结 12

第4章 微观分析与机理探讨 14

4.1 氧化钙膨胀剂膨胀性能的分析 14

4.2 氧化镁膨胀剂膨胀性能的分析 18

4.3 本章小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

致谢 24

参考文献 25

第1章 绪论

1.1 膨胀剂的研究背景与意义

膨胀剂是在被添加到混凝土或水泥砂浆后能产生膨胀作用的外加剂^[1]。膨胀作用的产生是由于膨胀剂自身含有膨胀性物质或膨胀剂和水泥发生作用而产生了膨胀性物质。二十世纪六十年代中期，日本首次开发应用膨胀剂（CSA膨胀剂）。七十年代初期，德国、美国、前苏联、澳大利亚、埃及等国都陆续开始了膨胀剂原理及应用技术的研究^[2]。其实早在五十年代中期，中国就发现了膨胀剂的使用价值并开始了针对膨胀剂的一系列研究与开发工作，但是由于开发的进度等原因，直到七十年代末才投入生产。随着科学技术的不断进步和使用经验的逐渐积累，有关让混凝土产生膨胀的方法从早期的膨胀水泥混凝土逐渐发展到现在的混凝土外加膨胀剂，其种类、性能、制作过程中的原材料和应用范围也在不断的变化和扩大。应用范围由最早期的补修裂缝发展到现在的水利工程建设、地下设施建造、桥梁连接、建筑需求高早强工程、大体积混凝土的应用、一些能产生预应力的混凝土设施建造、油井设施乃至于整个建筑行业的每个方面 ^[3]。膨胀剂由于其优越的性能受到科研人员的广泛关注，它的进步能给混凝土带来更广阔的应用空间。它的成本相比于膨胀水泥会降低很多，并且使用方法简便，性能优越，原料容易获得，因此使用量逐年增加，发展前景十分广阔。混凝土中现在使用的膨胀剂的膨胀源主要有硫铝酸钙、氧化镁、氧化钙等三大类。在高速铁路和高速公路中的桥梁结构中，每座桥梁之间都需要用封端混凝土进行连接以确保桥梁结构的整体性，这就意味着必须要在封端混凝土中加入适量的膨胀剂，但是加入膨胀剂的混凝土前期有较好的膨胀性，但是后期的膨胀性能得不到保证仍然会使桥梁结构发生开裂，影响桥梁的使用性能。因此本文主要研究的就是影响膨胀剂水化速率的因素。然而要了解膨胀剂是如何产生作用的，就必须得从了解源头——水泥基材料的收缩开始。

1.1.1 水泥基材料的收缩

水泥基材料是一种多相复合的准脆性材料，它的体积能否保持稳定是决定它使用性能好坏的关键性因素，体积不稳定就容易产生裂缝，裂缝会使水渗透到建筑物中导致钢筋锈蚀等一系列问题，并且会加速这个过程的发生，严重影响到建筑物的使用性能^[4] 。收缩是引起裂缝最常见的因素。

水泥基材料的有比较复杂的收缩机理,存在较多的影响因素^[5]。目前人们一共提出了六种类型的收缩机理:塑性收缩、自收缩、化学收缩、干燥收缩、温降收缩以及碳化收缩。化学收缩的产生主要是由于某些成分水化前后化合物平均密度改变从而对体积产生了影响，水泥熟料中的主要组成产物硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等的水化产物密度都会相应的增大从而使体积减小，它经常与干燥收缩并存。化学收缩存在于水泥水化过程中的每个阶段，它的收缩规律是随着胶凝材料用量以及水用量的增大而增大，因此化学收缩在要求高强、高性能混凝土材料中产生的频率比在普通混凝土中发生的频率要高。自收缩是指材料在与外界没有水交换的前提下，由于材料内部发生化学反应导致相对湿度减小从而产生体积收缩变形。塑性收缩一般发生水化之后的几个小时之内，这时材料还没有发生硬化。这是由于混凝土硬化前表面含水量较大，材料由内到外的水分泌出速度比材料表面水分的蒸发速度慢而产生的，因此和温度、相对湿度以及风有很大的关系，当水泥混凝土具有一定的强度时，它的体积改变不能与塑性收缩相适应，这时就会产生开裂。干燥收缩指的是水泥混凝土材料在使用过程中，由于失去内部水分而产生的收缩，它在混凝土的收缩中占的比例很大，有研究表明，干燥收缩量会随着龄期不断增大，并且占到了收缩总量的80%甚至有时可以达到90%。温降收缩是由于水泥在水化过程中会放热使体系内部的温度升高，最后体系与周围环境热交换使温度降低从而产生收缩，因此它的大小和水泥混凝土材料的热膨胀系数、降温速率以及内部水化放热量有关。碳化收缩是由于空气中的二氧化碳和水泥的水化产物氢氧化钙等发生反应产生的体积收缩。