氯氧镁改性混凝土设计与应用技术研究

尹汤军

摘要：为了研究出适应西南地区气候的道路材料和有效的处理盐湖地区含氯氧镁的废料，文章研究出了作为道路材料的氯氧镁改性混凝土，其强度远远高于普通硅酸盐水泥混凝土，并通过加入抗水剂、粉煤灰等外加剂能显著提高其耐水性、耐磨性和收缩性。氯氧镁改性混凝土综合性能远远高于普通硅酸盐水泥混凝土，但其运输等成本较高，综合性价比为0.83，实际工程中需考虑就地取材等因素。

关键词：西南地区;氯氧镁改性混凝土;性价比

中图分类号：U416.03A220803

0 引言

我国西南地区普遍存在海拔高、昼夜温差大和长期温度较低等特点，这些特点对于道路工程建设存在较大困难，普遍应用在工程建设中的普通硅酸盐水泥在这样的环境下，会存在水化速率降低、凝结硬化较慢、早期强度较低和易开裂等缺点，导致道路工程提前损坏或出现诸多病害，造成资源的大量浪费。

氯氧镁水泥是一种气硬性胶凝材料，与传统的硅酸盐水泥不同，氯氧镁水泥成型后能更好地抵抗因外界温度、湿度等环境变化而引起的强度和体积变化，因此将氯氧镁水泥应用在西南地区的道路建设中能显著地提高道路的使用寿命。与此同时，西南地区存在大量的盐湖，在盐湖中提取钾肥会产生大量含氯氧镁的废料，如果处理不当，将会对当地环境造成严重影响。因此，氯氧镁水泥的使用不仅能改善工程质量，还能“变废为宝”，达到环境保护的目的。

但是，目前氯氧镁水泥的应用范围较为狭窄，如装饰和包装材料、耐火砖和管道中[1-2]，应用于道路施工混凝土中还很少见，主要的原因分为以下两点：（1）国内外对于氯氧镁改性混凝土的主要研究集中于耐水性[3-4]，并没有明确的技术指标表明其在道路工程施工的应用;（2）氯氧镁水泥与传统硅酸盐水泥性质存在许多差异，传统的规范和施工方案并不适用[5-6]。

但在西南地区道路施工中的问题主要有原材料运输困难、温度低导致材料前期强度发展不足和后期抵抗冻融能力較低，通过以往对于氯氧镁水泥的研究[7-11]，氯氧镁改性混凝土能很好地解决上述问题，因此制定出氯氧镁改性混凝土应用于道路施工中的方案和可行性分析，是十分有指导意义的。

1 氯氧镁改性混凝土设计

1.1 配合比设计参照

氯氧镁改性混凝土是以氯氧镁水泥为胶凝材料，加之砂、石、水和其他外加剂混合而成的一种材料，加入的物质及量的多少都将对材料的性能产生很大的影响，因此，本文将结合普通硅酸盐水泥的配合比设计规范，通过修正相关参数，使其能达到工程要求。普通硅酸盐水泥的设计流程图如图1所示，氯氧镁水泥混凝土相关的技术要求如表1所示。

1.2 配合比设计实例

本次试验对于混凝土的要求为抗压强度30 MPa、抗弯拉强度4.0 MPa、坍落度为10～50 mm，在此之前需要对氯氧镁改性混凝土的配合比进行探究，首先需要进行氧化镁含量的探究，通过控制量，改变氧化镁的含量配置不同的混凝土，测量其7 d后的强度，如图2所示，从图中可以看出，氧化镁的含量与混凝土的抗压强度和抗折强度成正比，当氧化镁含量为190 kg时，抗压强度和抗折强度均低于要求值，当氧化镁含量为210 kg时，抗压强度达到要求，但是抗折强度未达到要求，当氧化镁含量为230 kg时，抗压强度和抗折强度均能达到要求值，故在考虑经济和强度要求的条件下，选取氧化镁含量为230 kg。

其余原材料的用量可通过相关计算得到，如通过式（1）计算得到氯氧镁的用量为104.05 kg/m3，通过式（2）计算得到最佳用水量为81.07 kg/m3、含砂率为38%、砂用量754.25 kg/m3和碎石用量为1 230.63 kg/m3。以上所有原材料的用量配比是室内试验设计的，考虑到现场施工的具体条件，需要对实验室配比进行适当的调整，最终的配比如表2所示。

2 氯氧镁改性混凝土应用

2.1 性能检测

道路材料最终能否应用在实际工程之中，需要对其相关的性能进行检测，如耐水性、收缩性、抗渗性以及抗冻性等，应该需要对以上配比的氯氧镁改性混凝土进行验证。

混凝土的耐水性验证是将制作好的试件先放在室内养护28 d，随后将试样分别放在淡水和浓度为10%的 Na2SO4溶液中浸泡28 d，浸泡后将试样放在烘箱中烘干，烘干温度设置为60 ℃，最后测量其抗压和抗折强度及软化系数。最终得到的结果是淡水中的试样强度下降了40%左右，而Na2SO4溶液中的试样强度下降30%左右，原因是Na2SO4进入到试样内部后会形成某种结晶物质堵塞通道，防止水对试样的进一步损伤。但是氯氧镁改性混凝土的强度高于普通硅酸盐混凝土，浸泡过后虽然强度下降，但是仍然高于普通硅酸盐混凝土，因此以上结果表明虽然该混凝土在水中会被软化导致强度有所降低，但是其耐水性仍然满足工程要求。

道路用混凝土的收缩性主要是其体积的变化，但是体积的改变会间接改变混凝土的孔隙率，这就会对混凝土的抗冻性和抗碳化性等产生直接的影响，因此有必要对氯氧镁改性混凝土的收缩性进行研究，本次试验将不同种类能抵抗收缩性的物质加入到氯氧镁改性混凝土中，然后与普通硅酸盐水泥的收缩性进行对比，结果如图3所示。

从图中可以看出，水泥砂浆的收缩变形主要在20 d之前，20 d之后体积较为稳定，前期的变形主要是由于水泥砂浆的水化反应引起的。与普通硅酸盐水泥类似，氯氧镁水泥砂浆也会存在收缩变形，加入矿粉和粉煤灰的砂浆也发生了膨胀变形，但是幅度很小，近似认为是稳定的状态;加入白云石粉的砂浆发生了收缩变形，幅度也只有普通硅酸盐水泥砂浆膨胀的一半;所有曲线的共同点都是收缩或膨胀变形主要发生在前7 d。因此在具体施工时，建议在氯氧镁改性混凝土中加入适当的矿粉或者粉煤灰，对于其体积的稳定性比较有利。通过抗冻性和抗渗性的研究，得到氯氧镁改性混凝土具有很好的抗渗性能和抗冻性能。

2.2 现场应用

为了验证氯氧镁改性混凝土现场应用效果，将其应用在西南地区某道路工程之中，施工顺序为施工准备、氯氧镁改性水泥混凝土制备及运输、摊铺、振捣、整平和切缝、拉毛和拆模及养护，后期运行一段时间过后，需要对其强度等指标进行检测，对同一路段连续10 d进行回弹仪获取强度数据，最终结果如图4所示。从图中可以看出，氯氧镁改性水泥混凝土强度在3～4 d就能达到强度设计值，且至第7 d，强度一直处于上升状态，7 d后强度达到基本稳定的状态，为设计值的130%左右，远远高于普通硅酸盐水泥的强度。

通过对各种原材料等进行分析发现，轻烧粉成本高于普通硅酸盐水泥，但是氯氧镁的成本低于普通硅酸盐水泥，如果仅从材料的角度出发，氯氧镁改性混凝土每立方米的成本较普通硅酸盐水泥混凝土的成本降低2%。但是轻烧粉目前主要来源是东北等较远的地区，其运输成本将大大增加，将运输费考虑进成本后，氯氧镁改性混凝土每m3的成本较普通硅酸盐水泥混凝土的成本升高了54%，综合环境等相关因素，从性价比来说，氯氧镁改性混凝土的性价比为0.83，相对较低。建议扩展西南地区的盐湖地区的氧化镁制备工艺方面的研究。

3 结语

为了研究出适应西南地区气候的道路材料并有效地处理盐湖地区含氯氧镁的废料，本文研究出了作为道路材料的氯氧镁改性混凝土配合比，其强度远远高于普通硅酸盐水泥混凝土，通过加入抗水剂、粉煤灰等外加剂能显著地提高其耐水性、耐磨性和收縮性。氯氧镁改性混凝土综合性能远远高于普通硅酸盐水泥混凝土，但其运输等成本较高，综合性价比为0.83，实际工程中需考虑就地取材等因素。

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收稿日期：2020-05-10