外摻氧化鎂混凝土性能研究

冉 璟,李 琛，李光偉

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 成都 610072)

1 前 言

大壩混凝土防裂是筑壩技術(shù)中待進(jìn)一步研究的重要課題之一。混凝土裂縫尤其是貫穿性裂縫的產(chǎn)生將破壞水工大壩的整體性，甚至危及大壩自身或整個(gè)樞紐工程的安全。然而在工程實(shí)例中，許多混凝土壩都存在或多或少的裂縫，以至有“無(wú)壩不裂”[1]的說(shuō)法。傳統(tǒng)的混凝土防裂措施主要采取溫度控制措施，如加冰拌和、水管冷卻、預(yù)冷骨料等。但是溫度控制措施受技術(shù)經(jīng)濟(jì)的制約，所起作用有限。因此，抗裂性能優(yōu)良的混凝土結(jié)合合理的溫度控制措施，是解決混凝土產(chǎn)生裂縫的最有效的途徑。混凝土自身抗裂性能與很多因素相關(guān)，如強(qiáng)度、極限拉伸值、絕熱溫升等都在一定程度上影響混凝土自身抗裂性。混凝土自生體積變形對(duì)抗裂性有著不容忽視的影響[2]。在大壩設(shè)計(jì)時(shí)，期望混凝土自生體積變形呈微膨脹狀態(tài)，以抵消部分混凝土溫降收縮變形，補(bǔ)償大壩溫度應(yīng)力。在工程實(shí)例中混凝土自生體積變形往往呈收縮趨勢(shì)，對(duì)混凝土抗裂性能十分不利。改善混凝土自生體積變形性能逐漸成為亟待解決而又存在一定難度的重要問(wèn)題。本文以壓蒸試驗(yàn)作為安全性評(píng)價(jià)方法，著重探討了外摻氧化鎂對(duì)混凝土自生體積變形的改善作用；同時(shí)，研究了外摻氧化鎂混凝土其他基本性能，探究外摻氧化鎂在筑壩技術(shù)中的可行性。

2 試驗(yàn)原材料及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用PM·H42.5水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰，玄武巖骨料。氧化鎂滿(mǎn)足《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求》要求。水泥、粉煤灰及氧化鎂主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1、2、3。

在水膠比、粉煤灰摻量等基本配合比參數(shù)相同的條件下，研究不同摻量氧化鎂對(duì)混凝土性能的影響。

3 外摻氧化鎂混凝土體積安定性

一般來(lái)說(shuō)，在混凝土中加入氧化鎂，混凝土具有一定的膨脹特性，有利于混凝土壩的溫度應(yīng)力補(bǔ)償設(shè)計(jì)和施工。但氧化鎂過(guò)量膨脹會(huì)帶來(lái)長(zhǎng)齡期安定性問(wèn)題，給大壩埋下安全隱患。因此利用壓蒸試驗(yàn)代表長(zhǎng)齡期氧化鎂的水化程度來(lái)判斷氧化鎂極限摻量十分重要。壓蒸安定性試驗(yàn)參照GB/T750-1992進(jìn)行，從加熱開(kāi)始經(jīng)45～75min內(nèi)使鍋內(nèi)水蒸氣壓升至表壓2.0±0.05MPa(相當(dāng)于215.7±1.3℃)，在該壓力下保持3h，然后在90min內(nèi)冷卻至壓力低于0.1MPa，取出試件置于90℃以上的熱水中，在熱水中均勻注入冷水在15min內(nèi)使水溫降至室溫，再經(jīng)15min取出試件進(jìn)行測(cè)試。采用混凝土中的砂漿部分進(jìn)行壓蒸安定性試驗(yàn)，圖1顯示了不同氧化鎂摻量混凝土砂漿壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果。

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

3 氧化鎂性能指標(biāo)

在壓蒸試驗(yàn)中，強(qiáng)烈的高溫高壓蒸汽處理，足以加速氧化鎂絕大部分完全水化，通過(guò)量測(cè)氧化鎂潛在膨脹長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)明體積安定性。試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓蒸膨脹率隨氧化鎂摻量的增加而加大，尤其是摻量較大時(shí)。本次試驗(yàn)，水泥內(nèi)含氧化鎂為1.75%情況下，當(dāng)外摻氧化鎂摻量小于5%時(shí)，試件安定性良好；當(dāng)外摻氧化鎂摻量大于5%時(shí)，試件出現(xiàn)明顯彎曲變形現(xiàn)象。這說(shuō)明當(dāng)氧化鎂摻量在一定范圍內(nèi)是安全的，但當(dāng)摻量過(guò)大時(shí)，可能出現(xiàn)體積安定性不良問(wèn)題，對(duì)大壩長(zhǎng)期安全性埋下隱患。

4 外摻氧化鎂混凝土自生體積變形

氧化鎂的膨脹機(jī)理在于Mg(OH)2晶體的生成和生長(zhǎng)，其在局部范圍內(nèi)形成漿體產(chǎn)生膨脹。膨脹的直接驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于Mg(OH)2晶體的腫脹力和結(jié)晶壓力，在水化早期，Mg(OH)2晶體很細(xì)小，漿體的膨脹主要因于腫脹力，隨著Mg(OH)2晶體的長(zhǎng)大，晶體的結(jié)晶生長(zhǎng)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀闹饕獎(jiǎng)恿3]。氧化鎂應(yīng)用于混凝土中，可利用其膨脹性改善混凝土自生體積變形性能。圖2顯示了氧化鎂摻量對(duì)混凝土自生體積變形的影響。

研究顯示，未摻氧化鎂混凝土自生體積變形呈收縮狀態(tài)，而摻加氧化鎂后，混凝土自生體積變形呈膨脹狀態(tài)，說(shuō)明氧化鎂對(duì)混凝土自生體積變形有明顯改善作用。氧化鎂摻量對(duì)混凝土自生體積變形膨脹值影響明顯，總體上呈現(xiàn)氧化鎂摻量越高，混凝土自生體積變形膨脹量越大的規(guī)律。這可能與氧化鎂水化產(chǎn)物量有關(guān)，即氧化鎂摻量越多，可供水化的方鎂石越多，水化產(chǎn)物的膨脹量越大，對(duì)混凝土自生體積變形收縮值的補(bǔ)償越多。氧化鎂對(duì)混凝土膨脹時(shí)間也有一定影響，氧化鎂摻量為3%、4%、5%、6%、7%的混凝土開(kāi)始膨脹時(shí)間分別是133d、90d、77d、63d及42d，說(shuō)明氧化鎂摻量越高膨脹開(kāi)始時(shí)間越早，而氧化鎂摻量越低膨脹開(kāi)始時(shí)間越晚。另外，膨脹收斂時(shí)間隨氧化鎂摻量的增加而延長(zhǎng)。總的來(lái)說(shuō)，不同摻量氧化鎂混凝土膨脹量快速增長(zhǎng)期主要發(fā)生在50d～200d，這種獨(dú)特的延遲性膨脹性能，恰好符合大體積混凝土散熱慢、降溫收縮變形遲緩的特點(diǎn)，從而可抵消部分溫度變形，提高抗裂性能。

圖1 不同氧化鎂摻量混凝土砂漿壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果

圖2 氧化鎂摻量對(duì)混凝土自生體積變形的影響

5 外摻氧化鎂混凝土的其它基本性能

5.1 拌和物性能

在坍落度與含氣量控制基本一致的情況下，拌合物用水量與引氣劑摻量隨著氧化鎂摻量的增加而增加。不同氧化鎂摻量混凝土在適宜的用水量與引氣劑用量條件下拌和性能良好。圖3顯示了用水量、引氣劑摻量與氧化鎂摻量的關(guān)系。

5.2 抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度

氧化鎂摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度性能有一定影響，當(dāng)氧化鎂摻量較低時(shí)，這種影響不明顯，但隨著氧化鎂摻量增加，混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。這可能是因?yàn)檠趸V摻量較高時(shí)，氧化鎂水化帶來(lái)的膨脹量過(guò)大，擠壓破壞了水泥石的微觀結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生微裂縫，以致混凝土強(qiáng)度降低。另外，各摻量氧化鎂混凝土的折壓比十分接近，說(shuō)明其脆性相當(dāng)。氧化鎂摻量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖4。

5.3 彈性模量與極限拉伸

氧化鎂摻量較低時(shí)，混凝土彈性模量變化不大，隨著氧化鎂摻量增加，混凝土彈性模量略有下降。極限拉伸值隨著氧化鎂摻量增加呈下降趨勢(shì)。氧化鎂摻量與混凝土彈性模量及極限拉伸關(guān)系見(jiàn)圖5。

5.4 耐久性能

與不摻氧化鎂混凝土一致，氧化鎂混凝土抗凍等級(jí)為大于F200，抗?jié)B等級(jí)為大于W16，抗凍等級(jí)與抗?jié)B等級(jí)均無(wú)變化，說(shuō)明氧化鎂對(duì)混凝土耐久性基本無(wú)影響。

圖3 坍落度與含氣量控制基本一致下用水量、引氣劑摻量與氧化鎂摻量的關(guān)系

圖4 氧化鎂摻量與混凝土強(qiáng)度關(guān)系

圖5 氧化鎂摻量與混凝土彈性模量及極限拉伸關(guān)系

6 結(jié) 論

氧化鎂作為膨脹源外摻至混凝土中，利用氧化鎂水化所釋放的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，產(chǎn)生壓應(yīng)力抵消混凝土冷卻時(shí)形成的拉應(yīng)力，限制混凝土膨脹以補(bǔ)償溫降過(guò)程中混凝土的限制收縮，具有廣闊的工程應(yīng)用前景[4]。通過(guò)對(duì)外摻氧化鎂混凝土性能研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)壓蒸膨脹率隨氧化鎂摻量的增加而明顯加大，氧化鎂摻量在一定范圍內(nèi)是安全的，但氧化鎂摻量過(guò)大時(shí)，出現(xiàn)體積安定性不良問(wèn)題，對(duì)大壩長(zhǎng)期安全造成威脅。

(2)氧化鎂對(duì)混凝土自生體積變形有明顯改善作用，氧化鎂摻量越高，有效膨脹源越多，混凝土自生體積變形膨脹量越大，且膨脹開(kāi)始時(shí)間越早，膨脹收斂時(shí)間越晚。氧化鎂混凝土具有延遲性膨脹性能，符合大體積混凝土散熱慢、降溫收縮變形遲緩的特點(diǎn)，從而抵消部分溫度變形，有利于提高混凝土抗裂性能。

(3)氧化鎂對(duì)混凝土拌和物性能、強(qiáng)度性能、彈性模量與極限拉伸、耐久性能等影響不大或基本無(wú)明顯影響。

綜上所述，氧化鎂對(duì)混凝土自生體積變形有明顯改善作用，但是同時(shí)也帶來(lái)了體積安定性問(wèn)題。因此在實(shí)際工程中應(yīng)用氧化鎂作為混凝土膨脹源必須嚴(yán)格進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，選擇適宜摻量，即利用氧化鎂帶來(lái)的一定的微膨脹特性，又避免過(guò)量氧化鎂引起的長(zhǎng)齡期安定性問(wèn)題。

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