氧化鎂膨脹劑對混凝土早期裂縫自愈合性能的影響

馮竟竟， 張 鵬， 陳 偉， 楊進波， 劉 虎

(1.山東農業大學 水利土木工程學院， 山東 泰安 271018； 2.青島理工大學 土木工程學院， 山東 青島 266033； 3.武漢三源特種建材有限責任公司， 湖北 武漢 430080)

混凝土材料的開裂直接影響到混凝土結構的耐久性和使用壽命.為了應對混凝土開裂問題，節省裂縫修補費用，同時盡可能減小因后期維護對結構正常使用造成的影響，針對混凝土損傷的自愈合及裂縫自愈合性能的研究受到了越來越多學者的關注.活性氧化鎂具有延遲膨脹的特性，已被水利電力工程界所認可，并應用于補償大體積混凝土的溫降收縮和干燥收縮，以保持混凝土的體積穩定性，減少裂縫產生[1].活性氧化鎂同時具有一定的促進裂縫自愈合性能.近年來國外關于活性氧化鎂自愈合材料的研究相對較多，國內尚無相關研究.

1)文中涉及的摻量、水灰比等均為質量分數或質量比.

Qureshi等[2]研究了英國Richard Baker Harrison公司生產的2種活性的氧化鎂(M92/200，N50)及不同氧化鎂摻量1)對混凝土自愈合效果的影響，研究表明：當M92/200摻量在8%左右、N50摻量在4%～6%時，混凝土自愈合效果最好，強度恢復率上升；微觀分析發現，在預制裂縫后，經過28d養護，摻有2種活性氧化鎂的混凝土表面裂縫基本愈合，且裂縫處有水鎂石及其他不同組相的水化產物，甚至有鎂方解石的形成.Jin等[3]認為活性氧化鎂顯示了有效的愈合性能，且對于優化混凝土補償收縮性能有較好作用，并對14種工業氧化鎂的活性、材料特性、X射線衍射(XRD)圖譜、pH值及水合形態等進行了對比分析.Kishi等[4]制備了混凝土立方體試件用于抗壓強度測試，并制備了帶有預制裂縫的長方體試件用于三點抗折試驗，研究了活性氧化鎂M90/200及膨潤土對混凝土自愈合性能的影響，結果表明：氧化鎂對混凝土抗壓強度影響較小，膨潤土在一定程度上降低了混凝土抗壓強度；初始寬度越小的裂縫自愈合速率越快，裂縫周圍的沉淀產物主要包括CaCO3，MgCO3，以及二者復合的沉淀結晶.Ahn等[5]研究了膨脹劑、硅質礦物材料(蒙脫石、長石和石英等)、碳酸鹽(NaHCO3，Na2CO3和Li2CO3等)對混凝土自愈合性能的影響，結果表明：膨脹劑的膨脹作用可有效降低裂縫寬度；地質材料的腫脹機理可有效促進裂縫愈合；碳酸鹽對裂縫處的重結晶有促進作用，適合水下快速愈合.Jasser等[6]將氧化鎂和硅灰以一定比例封裝于顆粒中并摻入混凝土內部，結果表明：僅添加5%的顆粒即可獲得60%左右的28d抗壓強度恢復率，該顆粒成分具有很好的裂紋自愈合性能.Alghamri等[7]用三點彎曲強度來表征氧化鎂材料對混凝土自愈合的效果，對于摻10%活性氧化鎂的混凝土，其30，120d彎曲強度恢復率分別為14.6%和18.5%.Dung等[8]研究了水化催化劑HA和分散劑DA對摻活性氧化鎂膨脹劑混凝土自愈合性能的影響，結果表明：催化劑HA可促進氧化鎂的溶解及水鎂石的沉淀，分散劑DA解決了氧化鎂需水量大的問題，并使混凝土內部結構更加致密，對混凝土自愈合有良好效果.

活性氧化鎂對混凝土裂縫自愈合性能的作用機理目前有多種解釋.部分學者認為氧化鎂與水發生水化反應，生成氫氧化鎂結晶沉淀，從而填充裂縫，其反應方程式見式(1).Dung等[8]認為，在裂縫周圍的氧化鎂可發生水化反應生成三水碳酸鎂及富鎂方解石，在裂縫處結晶沉淀，產生自愈合作用，其反應方程式見式(2)，(3).Vandeperre等[9]研究了氧化鎂和水泥水化產物的微觀結構，通過XRD分析發現其中有部分水合鎂鋁化合物Mg6Al2(CO3)(OH)16(H2O)4的生成.此外，Ramm等[10]認為混凝土裂縫自愈合主要包含4個階段：(1)未水化水泥的繼續水化；(2)裂縫處的膨脹；(3)碳酸鈣結晶；(4)水中固體物質閉合裂縫.

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氧化鎂活性一般采用檸檬酸滴定法進行測定，氧化鎂的活性及摻量對混凝土自愈合效果影響較大[11]，需要進行嚴格的設計與控制才能達到最佳效果，并避免負面影響.2017年中國建筑材料協會編制了CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》，對混凝土用氧化鎂膨脹劑的性能指標進行了規定.為驗證國內活性氧化鎂產品對混凝土裂縫自愈合性能是否同樣具有促進作用，有必要進行相應的試驗研究.在無養護措施或養護不到位的情況下，混凝土結構的裂縫多發生在早期，主要為溫度收縮裂縫及干燥收縮裂縫.本文通過試驗對比了2種型號的氧化鎂膨脹劑在不同摻量下對混凝土早期裂縫自愈合性能的影響.

1 試驗

1.1 材料

2種氧化鎂膨脹劑(R型和M型)均為武漢三源特種建材有限責任公司生產，檸檬酸反應法測定其活性分別為70s(R型)及130s(M型).水泥選用華新P·O 42.5水泥，骨料粒徑為5～20mm，水灰比為0.45，砂率為45%.混凝土配合比如表1所示.

圖1為2種氧化鎂膨脹劑的XRD圖譜.由圖1可知：氧化鎂膨脹劑主要由方鎂石、菱鎂礦、石英和白云石等組成；隨著活性的增大，方鎂石衍射峰(MgO主峰)有所增大，菱鎂礦(MgCO3)衍射峰有所降低，表明隨著活性的增大，方鎂石含量有所提高，菱鎂礦含量有所降低.表2，3給出了本文所用2種氧化鎂膨脹劑與國外2種常用活性氧化鎂產品的化學組成及物理特性.由表2,3可知：M型氧化鎂膨脹劑與M92/200性能較為類似，R型氧化鎂膨脹劑性能則介于M92/200與N50之間；隨著活性的增加，氧化鎂膨脹劑燒失量均有所降低，比表面積也隨之下降.

表1 混凝土配合比

圖1 不同類型氧化鎂膨脹劑的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of different magnesium oxide expansive agents

TypeSiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3ILM92/2002.250.220.530.8793.182.59N500.030.5097.700.805.40R type1.080.090.711.6590.123.96M type1.240.180.521.5990.881.83

表3 各氧化鎂的物理特性

表4給出了各組試件編號及其氧化鎂膨脹劑摻量，其中空白組(CON)的膠凝材料只有水泥，其余組則摻有不同摻量的不同型號氧化鎂膨脹劑，均為外摻.通過調整減水劑摻量使混凝土坍落度控制在180mm左右.

1.2 測試方法

1.2.1限制膨脹率

限制膨脹率根據中國建筑材料協會標準CBMF 19—2017進行測試.試件全長158mm(含兩端金屬測頭)，其中膠砂試件尺寸為40mm×40mm×140mm.按要求測量完初始長度后，將試件立即放入20℃恒溫水槽內進行養護，并分別測試其3，7，14，28d齡期的限制膨脹率.

表4 各組試件編號及其氧化鎂膨脹劑摻量

1.2.2裂縫形態

裂縫形態分析采用φ100×100mm的圓柱形混凝土試件.試件成型24h后拆模并通過劈裂抗拉試驗制造初始裂縫，來模擬混凝土早期開裂情況.控制加載速率為1MPa/s，加載過程中時刻觀察試件兩側平面裂縫情況，當其中一側裂縫出現貫通時，立即停止加載，并在圓柱試件的上下端部采用鋼箍約束.用MG10085-1型100倍讀數顯微鏡對裂縫形態進行觀測，對比分析各組試件的開裂裂縫形態變化及自愈合情況.

1.2.3裂縫寬度變化

裂縫寬度變化亦采用φ100×100mm的圓柱形混凝土試件進行測定，選擇初始裂縫寬度分別為0.05，0.10，0.20，0.30，0.40，0.70，1.00mm的裂縫部位，測點布置在裂縫寬度相對均勻的位置(即測點兩側1cm內，裂縫寬度波動較小處)，各組開裂試件的每個初始寬度的裂縫處各布置5個測點，并做好標記，放入水中養護7，14，28d后取出，觀測裂縫寬度變化.裂縫寬度也采用MG10085-1型100倍讀數顯微鏡進行觀測(含讀數系統)，最小刻度間隔為0.02mm，結果取5個裂縫寬度的均值.

1.2.4抗壓強度恢復率

制備尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土立方體試件.試件成型24h后拆模，其中一部分試件立刻進行抗壓試驗預破壞，預破壞判定依據為：當前力值與試驗階段最大力值之差達到50kN(即當前強度較最大強度下降5.0MPa)時，則認為試件在此時刻發生破壞，停止加載.將預破壞試件與未預破壞試件同時放置于20℃水中養護，測定其養護7，28d后的抗壓強度.試件抗壓強度恢復率R通過式(4)計算：

(4)

式中：Frec為預破壞試件在相應齡期的二次抗壓強度；F0為未預破壞試件在同齡期的抗壓強度.

2 結果分析與討論

2.1 限制膨脹率

各組膠砂試件的限制膨脹率測試結果如圖2所示.由圖2可知：各組膠砂試件限制膨脹率的大小整體上呈現為R-10>R-5>M-10>M-5>CON；在氧化鎂膨脹劑摻量相同的情況下，氧化鎂膨脹劑活性越大，其對應試件的限制膨脹率越大，在氧化鎂膨脹劑活性相同情況下(采用同種氧化鎂膨脹劑)，氧化鎂膨脹劑摻量越大，對應試件的限制膨脹率越大；摻氧化鎂膨脹劑試件的限制膨脹率均高于空白組.

圖2 各組膠砂試件的限制膨脹率Fig.2 Restrained expansive rate for mortar specimens

2.2 裂縫形態

圓柱形試件開裂后置于20℃水中養護，受氧化鎂膨脹及裂縫處水化結晶等作用，裂縫將產生自愈合效應.本試驗中分析了具有不同初始寬度裂縫的各組開裂試件自愈合效果.表5給出了各組開裂試件典型裂縫的自愈合情況，其初始裂縫寬度均為0.20mm左右.由表5可知：R-10及M-10組開裂試件的裂縫在養護14d后愈合完全，愈合效果良好；R-5及M-5組開裂試件的裂縫在28d時基本愈合完全，其裂縫處晶體仍然有一定的發展空間；空白組開裂試件裂縫有一定的自愈合趨勢，裂縫處產生部分結晶，但養護28d后尚未愈合完全.從自愈合效果來看：當氧化鎂膨脹劑摻量為5%時，經過14d養護的R-5組開裂試件裂縫處已經被初步的結晶產物填充完全，而M-5組開裂試件仍然存在一部分未填充裂縫；當氧化鎂膨脹劑摻量為10%時，R-10組開裂試件裂縫自愈合速率也要高于M-10組開裂試件.各組開裂試件裂縫自愈合效果整體上呈現為R-10>M-10>R-5>M-5>CON，表明活性較高的R型氧化鎂膨脹劑對混凝土裂縫自愈合的促進作用要高于活性較低的M型氧化鎂膨脹劑.

2.3 裂縫寬度變化

圖3給出了具有不同初始寬度裂縫的各組開裂試件在不同養護齡期的寬度變化值.由圖3可知，經過7，14，28d養護后，各組開裂試件的裂縫寬度大小為R-10

圖4給出了具有不同初始寬度裂縫的R-10組開裂試件裂縫寬度發展情況.由圖4可知：對于初始寬度在0.40mm以下的裂縫，經過28d養護后，該裂縫基本愈合完全，對于初始寬度為0.70mm及1.00mm的裂縫，在14d前有一定的愈合作用，14d 后，裂縫減小的速率變緩(曲線趨于平緩)；同時，摻氧化鎂膨脹劑的開裂試件在初始裂縫寬度相同的情況下，裂縫寬度在同等養護齡期后均小于相應的空白組開裂試件，這表明氧化鎂膨脹劑對混凝土裂縫的自愈合具有良好的促進作用.GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》針對不同結構類型及環境類別的混凝土結構，規定了其最大裂縫寬度限值為0.10～0.30mm.根據上述分析結果可知，本文選用的氧化鎂膨脹劑對于國家標準規范允許寬度范圍內的裂縫有較好的自愈合效果.

表5各組開裂試件的典型裂縫愈合情況

Table5Typicalcracksealingpatternsofdifferentspecimes

2.4 抗壓強度恢復率

圖5給出了各組開裂試件的抗壓強度恢復率.由圖5可知：摻氧化鎂膨脹劑的開裂試件相對空白組開裂試件具有更高的抗壓強度恢復率；氧化鎂膨脹劑摻量為5%的開裂試件(R-5和M-5)抗壓強度恢復率比氧化鎂膨脹劑摻量為10%的開裂試件(R-10和M-10)高，這表明摻加過量氧化鎂膨脹劑反而對混凝土抗壓強度的發展不利，對于R型和M型氧化鎂膨脹劑，能獲得較高抗壓強度恢復率的最佳摻量不應大于10%.

圖3 不同初始寬度的裂縫在不同養護齡期的寬度變化Fig.3 Width of cracks at different curing ages with different initial crack widths

圖4 具有不同初始寬度裂縫的R-10組開裂試件裂縫寬度發展情況Fig.4 Average crack width variation for R-10specimens with different initial crack widths

圖5 各試驗組混凝土的抗壓強度恢復率Fig.5 Compressive strength recovery rate of specimens

3 結論

(1)氧化鎂膨脹劑活性越高、摻量越大，試件的限制膨脹率越大；在相同齡期條件下，相同初始寬度的混凝土早期裂縫自愈合效果越好，且愈合后裂縫寬度越小.

(2)氧化鎂膨脹劑對初始寬度在0.40mm及以下的早期裂縫有較好的愈合效果，對初始寬度在0.40mm以上的早期裂縫，在14d前裂縫寬度有一定減小，但效果相對不明顯，在14d后裂縫寬度逐漸趨于穩定.

(3)在相同摻量下，活性較高的氧化鎂膨脹劑對應的混凝土抗壓強度恢復率略高于活性較低的氧化鎂膨脹劑對應的混凝土抗壓強度恢復率；相同活性情況下，摻量為10%的混凝土比摻量為5%的混凝土抗壓強度恢復率略低.