不同養(yǎng)護(hù)條件下MgO 對混凝土力學(xué)性能的影響

程福星，劉猛，向飛，王海龍

（1. 武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083；2. 武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083）

0 引言

混凝土作為世界上用途最廣、體量最大的建筑材料，而被廣泛應(yīng)用于建筑工程、公路工程、橋梁和隧道工程、水利工程、核電工程等各類建設(shè)領(lǐng)域中，對社會的發(fā)展與進(jìn)步起著無可替代的作用。然而混凝土材料容易開裂問題一直困擾著眾多專家、學(xué)者。研究表明，利用膨脹劑在水化過程中產(chǎn)生的體積微膨脹，進(jìn)而在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，來補(bǔ)償混凝土因收縮帶來的開裂風(fēng)險(xiǎn)是有效措施之一[1-3]。MgO 膨脹劑因具有水化需水量小、膨脹歷程可控、水化產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，相較于鈣礬石膨脹劑而被廣泛使用[4,5]。

凝土結(jié)構(gòu)物主要用于承受荷載或抵抗各種作用力，因此，抗壓強(qiáng)度是混凝土最重要的力學(xué)性能指標(biāo)，與此同時，對于混凝土結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境條件，例如高溫、高濕、低濕、強(qiáng)限制等，對混凝土強(qiáng)度的發(fā)展均有影響，因此研究摻 MgO 膨脹劑在不同養(yǎng)護(hù)條件下對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響十分重要[6]。針對此情況，本文研究了不同 MgO 摻量混凝土試塊處于自然養(yǎng)護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、限制養(yǎng)護(hù)和高溫養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，以期對 MgO 膨脹劑的工程應(yīng)用給予一定指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

（1）試驗(yàn)所用水泥為華新水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥 P·O42.5，其化學(xué)組成見表 1，性能指標(biāo)見表 2。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學(xué)組成

表2 普通硅酸鹽水泥的物理性能

（2）MgO 膨脹劑選用武漢三源特種建材責(zé)任有限公司生產(chǎn)的 M 型 MgO，活性值為 122s，其 XRD 圖譜及微觀形貌見圖 1；礦粉選用濟(jì)南某公司生產(chǎn)的 S95 礦粉，28d 活性指數(shù) 102%；粉煤灰選用武漢青山發(fā)電廠提供的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度 14.8%。三種材料化學(xué)成分見表 3。

表3 礦粉、粉煤灰及 MgO 化學(xué)組成 %

（3）細(xì)骨料為當(dāng)?shù)睾由埃?xì)度模數(shù)為 2.6，含泥量1.3%；粗骨料采用 5～31.5mm 連續(xù)級配花崗巖碎石，其主要物理性能指標(biāo)如表 4。

表4 粗骨料主要物理性能指標(biāo)

（4）拌合水為自來水；減水劑由武漢三源特種建材責(zé)任有限公司生產(chǎn)的 Ujoin-PC 型聚羧酸高性能減水劑，固含量為 20.6%，減水率為 22%。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 混凝土配合比

根據(jù) JGJ 55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，設(shè)計(jì)選用 C30 普通混凝土為基準(zhǔn)，MgO 膨脹劑取代粉煤灰用量分別為 0kg、20kg、40kg 和 60kg，試驗(yàn)編號為：C30-0、C30-2、C30-4 和 C30-6，具體配合比見表5。

1.2.2 混凝土性能檢測方法

抗壓強(qiáng)度檢測參照國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》；根據(jù)表 5 的配合比制作 100mm×100mm×100mm 試件，試件成型后，置于溫度為 20℃ 的室內(nèi)，24h 后拆模，其中限制養(yǎng)護(hù)為相同尺寸鋼模，24h 后帶模放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，其余試塊依次放入 80℃ 水樣箱，溫度 (20±2)℃、相對濕度 (97±2)% 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，溫度 (20±2)℃，相對濕度 (50±2)% 的自然環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至檢測齡期，再使用全自動壓力試驗(yàn)機(jī)測試不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土試塊 7d、28d、60d、90d 和 180d 齡期的抗壓強(qiáng)度。

表5 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見表6。

2.1 自然養(yǎng)護(hù)條件下對混凝土強(qiáng)度的影響

在自然養(yǎng)護(hù)條件下，MgO 膨脹劑摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響見圖 2。

由圖 2 可見，在自然養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng) MgO 摻量在20kg 和 40kg 時，混凝土早、中期抗壓強(qiáng)度與對照組差別不大，但長齡期抗壓強(qiáng)度略低于空白組，可能是相對于 MgO，粉煤灰在后期發(fā)生二次水化，使得結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，導(dǎo)致對照組后期強(qiáng)度更高，而早期粉煤灰并無明顯活性，兩者對混凝土強(qiáng)度影響不大；但對于 60kg 摻量，混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度均低于對照組，且差距隨齡期增大而增大，說明粉煤灰的二次水化對混凝土后期強(qiáng)度是有利的，且 MgO 摻量不宜過高。

圖1 MgO 膨脹劑的微觀形貌及 XRD 圖譜

表6 不同養(yǎng)護(hù)條件下各試樣的抗壓強(qiáng)度結(jié)果 MPa

圖2 自然養(yǎng)護(hù)條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式對混凝土強(qiáng)度的影響

圖3 為在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下不同摻量 MgO 對混凝土性能的影響。

由圖3可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，MgO 摻量為 20kg時，各齡期混凝土強(qiáng)度與對照組差別不大，但當(dāng)摻量提高至 40kg 時，兩者的差距逐步拉大，其原因是在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，有利于膠凝材料的水化，摻合料的二次水化也更充分，MgO 對粉煤灰取代量過大時，影響了膠凝產(chǎn)物的生成，而 MgO 膨脹劑的水化不足以彌補(bǔ)這部分粉煤灰水化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。當(dāng) MgO 摻量增大至 60kg 時，混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步下降，這與自然養(yǎng)護(hù)條件表現(xiàn)的規(guī)律相同，MgO 摻量越大，抗壓強(qiáng)度損失越嚴(yán)重。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 限制養(yǎng)護(hù)方式對混凝土強(qiáng)度的影響

限制養(yǎng)護(hù)對于摻膨脹劑混凝土而言，可提供更大的預(yù)壓應(yīng)力，其 MgO 摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖 4。

圖4 限制養(yǎng)護(hù)條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖 4 可見，限制養(yǎng)護(hù)條件下，摻 MgO 混凝土抗壓強(qiáng)度并未優(yōu)于對照組，原因之一是限制鋼模并非完全限制，有一單面并未約束，影響了應(yīng)力儲備；另一種原因是 MgO 水化產(chǎn)物并未起到堵孔作用，只是起到了體積增大的作用，增加的密實(shí)度有限，而部分粉煤灰顆粒較細(xì)，可填充內(nèi)部孔道，當(dāng)其發(fā)生二次水化時，能更好地提高混凝土的密實(shí)度，對混凝土抗壓強(qiáng)度提升作用更明顯。同時可以看到，限制養(yǎng)護(hù)混凝土早期強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下強(qiáng)度更高，原因是限制養(yǎng)護(hù)可提升水化熱聚集，增大混凝土早期水化溫度，對強(qiáng)度發(fā)展是有利的；但隨MgO 摻量增大，混凝土抗壓強(qiáng)度依舊表現(xiàn)下降趨勢，進(jìn)一步說明，就內(nèi)摻取代摻合料而言，MgO 摻量不宜過高。

2.4 高溫養(yǎng)護(hù)方式對混凝土強(qiáng)度的影響

對于大體積混凝土而言，混凝土內(nèi)部溫度可高達(dá)70～80℃，采用高溫養(yǎng)護(hù)可模擬實(shí)際工況，探究高溫下?lián)?MgO 對混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖 5。

圖5 高溫養(yǎng)護(hù)條件下 MgO 摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖5可見，在高溫養(yǎng)護(hù)下，混凝土早期強(qiáng)度得到提高，這與水泥水化速率提升有較大關(guān)系，當(dāng) MgO 摻量為 20kg 時，隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長，混凝土抗壓強(qiáng)度優(yōu)于對照組，說明高溫下加速了 MgO 的水化，其產(chǎn)生的微膨脹提高了混凝土的密實(shí)度；但當(dāng)摻量提升至 40kg時，各齡期混凝土抗壓強(qiáng)度與對照組相當(dāng)，說明粉煤灰的二次水化效果得到體現(xiàn)，可抵消 MgO 產(chǎn)生的微膨脹效應(yīng)，但 MgO 產(chǎn)生過度膨脹，可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)局部破壞，對過渡界面區(qū)的穩(wěn)定性有影響，影響強(qiáng)度；當(dāng)摻量提升至 60kg 時，混凝土抗壓強(qiáng)度明顯降低，說明混凝土中 MgO 膨脹劑摻量不宜太高。

2.5 不同養(yǎng)護(hù)條件對混凝土強(qiáng)度的影響

結(jié)合上文的試驗(yàn)結(jié)果，混凝土中摻 20kg MgO 對強(qiáng)度影響不大，特選取該摻量下不同養(yǎng)護(hù)條件對抗壓強(qiáng)度的影響，對比結(jié)果如圖6。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下?lián)?20kg MgO 對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可清晰看到，高溫養(yǎng)護(hù)對摻 MgO 混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，而自然養(yǎng)護(hù)則相反；限制養(yǎng)護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)對混凝土強(qiáng)度影響相當(dāng)，但 7d 結(jié)果表明前者更優(yōu)，原因是限制養(yǎng)護(hù)下早期水泥水化熱聚集，提升了水化環(huán)境溫度；在不同養(yǎng)護(hù)條件下，各齡期抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)增大趨勢，沒有出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，但對于高溫養(yǎng)護(hù)，試塊齡期從 60d 到 180d 強(qiáng)度增長相對緩慢，可能是在高溫養(yǎng)護(hù)下，早齡期膠凝材料水化反應(yīng)較充分引起。

3 結(jié)論

（1）MgO 膨脹劑對混凝土工作性能有一定影響，對減水劑需求量隨摻量增大明顯加大，應(yīng)控制好摻量，避免減水劑用量的超摻。

（2）MgO 膨脹劑摻量超過 20kg 后，對混凝土力學(xué)性能有一定影響，且隨摻量增大，抗壓強(qiáng)度明顯下降。

（3）養(yǎng)護(hù)條件對摻 MgO 混凝土有顯著影響，高溫養(yǎng)護(hù)下，MgO 水化速度增加，對混凝土抗壓強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，且各養(yǎng)護(hù)條件下各齡期抗壓強(qiáng)度無倒縮現(xiàn)象。

（4）綜合考慮混凝土的工作性和力學(xué)性能，對于C30 混凝土 MgO 膨脹劑摻量應(yīng)小于 40kg/m3。