氧化鎂補償收縮混凝土變形特性研究

朱長華

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

混凝土在凝結硬化過程中收縮大于其極限拉伸率時可能出現開裂現象。利用膨脹劑在水化過程中產生體積膨脹來補償混凝土收縮是防止其收縮開裂的有效措施[1-2]。膨脹劑主要分為硫鋁酸鹽、游離氧化鈣、游離氧化鎂等3類。其中，硫鋁酸鹽和游離氧化鈣系膨脹劑的膨脹效能大部分發生在早期(3～7 d)，28 d后幾乎不再膨脹，甚至出現膨脹量下降[3- 4]，且不具有補償溫度收縮的作用。氧化鎂系膨脹劑具有溫度激發特性[5]，可補償混凝土的溫度和干燥收縮，同時還可減小混凝土收縮，在水工混凝土中得到了較多應用[6-7]。目前，已有學者對氧化鎂水化產生膨脹的機理[8]以及不同溫度下水化活性[9-10]進行了研究，但關于實體結構溫度匹配下氧化鎂混凝土變形特性的研究較少，室內缺少評價其在實際工況下補償混凝土收縮性能的便捷方法。本文擬在不同的煅燒溫度下制備具有不同活性的氧化鎂膨脹劑，研究氧化鎂補償收縮混凝土在不同養護制度下的變形規律，為氧化鎂膨脹劑在混凝土工程中的應用提供依據。

1 試驗

1.1 原材料

試驗用水泥為北京金隅P·O 42.5水泥，比表面積為342 m2/kg，堿含量為0.56%。粉煤灰為赤峰市元寶山Ⅰ級粉煤灰，細度為8.6%，需水量比為92%，燒失量為0.46%，CaO含量為2.71%。菱鎂礦產自遼寧海城，屬于一級菱鎂礦，其化學成分如表1所示。菱鎂礦分別在4種溫度(800，900，1 000和 1 100 ℃)下煅燒，冷卻后，粉磨至350目細度的粉體，得到不同活性的氧化鎂膨脹劑，分別記為MA，MB，MC和MD。細骨料為河北遵化的Ⅱ區中河砂，細度模數為2.8，表觀密度為 2 610 kg/m3，含泥量為1.3%。粗骨料為天津薊縣5～20 mm兩級配碎石，表觀密度為 2 650 kg/m3，含泥量為0.3%，壓碎值為5.8%。減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑。

表1 菱鎂礦化學成分 %

1.2 配合比

選取對體積穩定性要求較高的隧道襯砌C40混凝土作為研究對象，經過大量試配試驗，確定了如表2所示的混凝土配合比。

表2 試驗用配合比 kg/m3

1.3 試驗方法

采用STA449F3型同步熱分析儀對菱鎂礦進行熱分析，測試溫度范圍為25～1 000 ℃，加熱速度為 10 ℃/min，測試氣氛為空氣。采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀表征樣品的物相組成，采用步進掃描模式，掃描速度為6°/min，步長為0.02°，每步掃描時間為0.2 s。MgO的活性反應時間按照《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》(DL /T 5296—2013)進行。

混凝土試件的限制膨脹率按照《混凝土膨脹劑》(GB 23439—2009)進行，養護條件分別為20 ℃水養護、60 ℃水養護和溫度匹配養護。溫度匹配養護下收縮試驗用試件強度達到3～5 MPa時拆模，立即用環氧樹脂快速密封，在室溫下測試試件的初始長度，然后放入蒸養箱進行溫度匹配養護，并測試不同溫度下混凝土試件的長度，當溫度回到起始溫度時，測試試件的最終長度。混凝土干燥收縮試驗遵照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)。

2 試驗結果與分析

2.1 氧化鎂膨脹劑的反應活性

圖1為菱鎂礦的XRD(X-ray Diffraction)圖譜和熱分析試驗結果。由圖1(a)可知，菱鎂礦的物相主要為MgCO3，結合菱鎂礦的化學成分(參見表1)，經計算可知該菱鎂礦中MgCO3含量為95.7%。由圖1(b)可知，MgCO3在550～655 ℃之間發生分解，吸熱峰為630 ℃，在煅燒溫度800～1 100 ℃ 時菱鎂礦可以完全分解。

圖1 菱鎂礦的XRD圖譜與TG-DSC曲線

本文通過改變煅燒溫度，制備得到4種不同活性的氧化鎂，并測試其活性反應時間，時間越短表明氧化鎂的活性越高，反之則氧化鎂的活性越低，試驗結果見圖2。可知，氧化鎂的活性反應時間隨著煅燒溫度的增加而提高，表明其水化活性隨之降低。當煅燒溫度超過 1 000 ℃ 時，氧化鎂的水化活性顯著降低。這可能是由于煅燒溫度升高引起氧化鎂晶格畸變減少，晶粒之間孔隙收縮，結構變得緊密，其活性隨之下降[11]。

圖2 不同煅燒溫度下制得氧化鎂的活性反應時間

2.2 常溫水養條件下氧化鎂混凝土的變形性能

試驗中選擇20 ℃養護溫度以模擬一般環境下混凝土施工溫度，研究水養條件下不同煅燒溫度氧化鎂對試件限制膨脹率的影響，試驗結果見圖3。由圖可知，在20 ℃水養條件下，基準混凝土的變形率約為0，表現為不收縮也不膨脹，而摻氧化鎂混凝土隨齡期發展均表現為持續膨脹，且氧化鎂煅燒溫度越低混凝土限制膨脹率越大。摻MA,MB型氧化鎂混凝土在水中14 d限制膨脹率>150×10-6，滿足補償收縮混凝土的限制膨脹率要求。

圖3 20 ℃水養條件下摻氧化鎂混凝土的限制膨脹率

2.3 常溫干燥條件下摻氧化鎂混凝土的變形性能

圖4 20 ℃干燥條件下摻氧化鎂混凝土的干燥收縮

試驗中選擇20 ℃養護溫度以模擬一般環境下混凝土施工溫度，研究干燥條件下不同煅燒溫度下氧化鎂對試件干燥收縮率的影響，試驗結果見圖4。由圖可知，在20 ℃干養條件下，基準混凝土56 d干縮率為404×10-6。與之相比，相同齡期時摻氧化鎂混凝土干燥收縮率均不同程度降低，氧化鎂煅燒溫度越高，摻氧化鎂混凝土補償收縮效果越差，當煅燒溫度為800 ℃時摻氧化鎂混凝土干縮降低30%，當煅燒溫度為 1 100 ℃ 時摻氧化鎂混凝土干縮僅降低1.5%?？梢?，1000～1 100 ℃ 時煅燒制得的氧化鎂活性較低，不適用于常溫下混凝土的收縮補償，800～900 ℃ 煅燒制得的氧化鎂活性較高，較適用于常溫下混凝土的收縮補償。

2.4 高溫水養條件下摻氧化鎂混凝土的變形性能

試驗中選擇60 ℃養護溫度以模擬大體積混凝土的芯部溫度，研究水養條件不同煅燒溫度下制得的氧化鎂對混凝土試件限制膨脹率的影響，試驗結果見圖5。由圖可知，該溫度下混凝土變形可分2階段：在第1階段(1～3 d)，與圖3結果基本吻合；在第2階段(3 d以后)，與圖3結果正好相反，即表現為氧化鎂煅燒溫度越高，混凝土限制膨脹率越大，尤其是7 d齡期以后，摻MD氧化鎂混凝土限制膨脹率顯著高于其他混凝土，且增長率仍處于較高水平。MD氧化鎂活性較低，但在高溫條件下其水化速度加快，具有延遲膨脹特性，適用于大體積混凝土由于水化溫升導致的溫度收縮補償。

圖5 60 ℃水養條件下摻氧化鎂混凝土的限制膨脹率

2.5 匹配養護條件下氧化鎂混凝土的變形性能

試驗中以匹配養護溫度(溫峰為45 ℃和65 ℃)、絕濕條件來模擬實體混凝土所處的環境，研究該條件下不同煅燒溫度氧化鎂對混凝土自由膨脹率的影響，試驗結果見圖6。

圖6 溫度匹配下摻氧化鎂混凝土自由膨脹率

由圖6(a)可知，試驗中養護溫度在2 d齡期時上升至溫峰45 ℃，然后緩慢下降，13 d齡期時降至室溫25 ℃，在該養護溫度變化歷程下，所有試件隨養護溫度的升高均出現膨脹現象，隨養護溫度降低出現膨脹回落現象。當養護溫度回到起始溫度時，基準混凝土收縮值約230×10-6，摻MA氧化鎂混凝土收縮值約115×10-6，摻MD氧化鎂混凝土收縮值約69×10-6，摻MB,MC氧化鎂混凝土基本無收縮。以混凝土熱膨脹系數為10×10-6℃-1計算[12]，MB,MC氧化鎂可等效補償混凝土溫降23 ℃引起的收縮。

由圖6(b)可知，試驗中養護溫度在2 d齡期時上升至溫峰65 ℃，然后緩慢下降，13 d齡期時降至室溫25 ℃，當養護溫度回到起始溫度時基準混凝土收縮值約260×10-6，摻MA,MB和MC氧化鎂混凝土收縮值分別為165×10-6，99×10-6,25×10-6,摻MD氧化鎂混凝土仍為膨脹狀態，膨脹值為64×10-6。在該養護溫度下，隨氧化鎂煅燒溫度升高，其對混凝土補償收縮效果提高，1 100 ℃ 煅燒制得的MD氧化鎂適用于高溫峰條件下混凝土溫度收縮補償。

3 結論

1)氧化鎂的活性反應時間隨著煅燒溫度的增加而提高，表明其水化活性隨之降低。

2)800～900 ℃煅燒制得的MA、MB氧化鎂活性較高，適用于常溫環境下混凝土干燥收縮補償。

3)1000 ℃ 煅燒制得的MC氧化鎂活性較低，對混凝土中等水化熱引起的溫度收縮具有良好的補償效果。

4)1 100 ℃ 煅燒制得的MD氧化鎂活性低，具有延遲膨脹特性，對大體積混凝土高水化熱引起的溫度收縮具有良好的補償效果。

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