氧化鎂膨脹劑在某橋梁主塔工程中的應(yīng)用研究

郭城瑤，秦哲煥,朱國軍,徐 可

(武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，武漢 430083)

混凝土在水化硬化的過程中，除了混凝土強(qiáng)度的增長，同時還會產(chǎn)生體積收縮[1]。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，這種體積收縮往往受到外界約束的限制并產(chǎn)生收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度極限時，則會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂[2,3]。為了抵消混凝土在收縮過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少或防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，目前較為常見的方法是用膨脹水泥或在普通混凝土中摻入適量膨脹劑配制成補(bǔ)償收縮混凝土。其原理是利用膨脹組分水化產(chǎn)生的壓應(yīng)力來抵消混凝土收縮引起的拉應(yīng)力。而傳統(tǒng)膨脹劑因其膨脹源鈣礬石物理化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定所以存在諸多缺陷。與之相比，氧化鎂膨脹劑具有水化需水量少、水化速率相對較慢、膨脹性能可控、膨脹時間長且早期膨脹量小，后期膨脹量大、水化產(chǎn)物穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4,5]。

關(guān)于氧化鎂膨脹劑國內(nèi)已有不少研究：如崔雪華等[6]研究了摻氧化鎂水泥的膨脹規(guī)律及其影響因素，結(jié)果表明摻氧化鎂水泥的膨脹反應(yīng)較一般膨脹水泥發(fā)生得遲，即具有延遲膨脹的的性能，且在3～5 d時，膨脹速率最大，可用于解決大壩工程混凝土的溫控問題。李承木[7]在對摻氧化鎂混凝土自生體積變形的長期試驗研究中發(fā)現(xiàn)：1)氧化鎂混凝土的膨脹速率、膨脹率以及膨脹穩(wěn)定時間是可以控制的；2)氧化鎂混凝土的自身體積變形是穩(wěn)定的，既不會無限膨脹也不會因為環(huán)境溫濕度的變化而產(chǎn)生回縮現(xiàn)象。紀(jì)憲坤等[8]在基于溫度-應(yīng)力試驗的摻膨脹劑混凝土性能研究中發(fā)現(xiàn)：在膨脹劑摻量為10%的條件下，鎂質(zhì)膨脹劑可以明顯提高混凝土的早期抗開裂性能，而鈣質(zhì)膨脹劑由于水化放熱量大、水化速率較快，不宜用于大體積混凝土的裂縫控制。目前，氧化鎂膨脹劑在橋梁工程中的應(yīng)用研究還比較少，可供工程人員參考的數(shù)據(jù)不多。基于此，研究了氧化鎂膨脹劑對混凝土力學(xué)性能、限制膨脹率的影響以及在某橋梁主塔工程中的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為云南紅塔滇西水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO 52.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為云南宣威電廠生產(chǎn)的I級粉煤灰；膨脹劑為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司MAC型鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑；粗集料為虎跳峽鎮(zhèn)俄迪砂石廠生產(chǎn)級配為5～10 mm∶10～20 mm=3∶7的碎石；細(xì)集料為跳峽鎮(zhèn)大崖洞砂石廠生產(chǎn)的II區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；減水劑為云南宸磊建材有限公司生產(chǎn)的HLPCA減水劑；試驗用水為自來水，符合JGJ63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2 方法

混凝土力學(xué)性能試驗參照GB/T 50081《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?；炷料拗婆蛎浡蕝⒄誈B/T 23439《混凝土膨脹劑》附錄B進(jìn)行試驗?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)溫度分別為20 ℃和40 ℃，達(dá)到規(guī)定齡期進(jìn)行長度測試。

混凝土溫度-應(yīng)力試驗:試驗以北京某公司生產(chǎn)的溫度應(yīng)力試驗機(jī)可得到混凝土早齡期熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)14個，開裂綜合指標(biāo)：開裂溫度；開裂核心指標(biāo)：開裂應(yīng)力、室溫應(yīng)力和應(yīng)力儲備；開裂細(xì)化指標(biāo)：澆筑溫度、溫升時間、出現(xiàn)應(yīng)力時間、第一零應(yīng)力溫度、第一零應(yīng)力時間、最大壓應(yīng)力、溫升出現(xiàn)時間、溫升、第二零應(yīng)力溫度和第二零應(yīng)力時間。試驗系統(tǒng)主要包括三部分：約束變形試驗裝置、自由變形試驗裝置和數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。溫度應(yīng)力試驗的模式采用絕熱溫升模式，絕熱溫升模式是試件中心溫度達(dá)到溫峰后保溫為48 h，然后開始降溫，降溫速率為1 ℃/h。

1.3 混凝土配合比

為了研究不同摻量下氧化鎂膨脹劑對混凝土力學(xué)性能的影響及混凝土限制膨脹率的發(fā)展規(guī)律，混凝土的配合比如表1所示。KB為不摻氧化鎂膨脹劑的空白對照組；M-4、M-6、M-8分別為氧化鎂膨脹劑摻量為4%、6%、8%的試驗組，摻入方式為內(nèi)摻，等量取代粉煤灰用量，調(diào)整減水劑摻量控制各組混凝土坍落度保持一致。

表1 混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

摻4%、6%和8%MgO膨脹劑混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1可以看出，摻氧化鎂膨脹劑對混凝土的早期強(qiáng)度略有降低，氧化鎂膨脹劑摻量為4%時，混凝土3 d、7 d、28 d、強(qiáng)度分別下降了4.1%、1.9%、2.6%；摻量為6%時，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%；摻量為8%時，強(qiáng)度降低較為明顯，3 d、7 d、28 d分別降低了9.3%、5.3%、9.6%，下降的幅度均在10%以內(nèi)。由此可知，MgO膨脹劑摻量為6%時，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%，摻量為4%和8%，強(qiáng)度均表現(xiàn)為降低，因此6%摻量的氧化鎂膨脹劑對混凝土的強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

2.2 摻MgO膨脹劑混凝土限制膨脹率

在20 ℃和40 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，摻MgO膨脹劑混凝土限制膨脹率見圖2、圖3。

從圖2可以看出，在鋼筋限制約束條件下，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時，不摻MgO膨脹劑的空白對照組處于先膨脹后收縮的狀態(tài)，4%、6%、8%MgO膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，摻4%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.020%；摻6%MgO膨脹劑混凝土28 d混凝土限制膨脹率為0.028%；摻8%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.041%。

從圖3可以看出，在鋼筋限制約束條件下，養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時，不摻MgO膨脹劑的空白對照組處于先膨脹后收縮的狀態(tài)，4%、6%、8%MgO膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，摻4%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.039%；摻6%MgO膨脹劑混凝土28 d混凝土限制膨脹率為0.053%；摻8%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.065%。

由圖2、圖3可以看出，養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時，相同MgO膨脹劑摻量下混凝土的限制膨脹率均高于養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時的膨脹率。因此說明，高溫可以促進(jìn)混凝土中MgO膨脹劑的水化，這使得MgO膨脹劑在大體積混凝土中的應(yīng)用更加有利，大體積混凝土早期水化升溫放熱較快，加速M(fèi)gO膨脹劑的水化。

綜上所述，在混凝土中，摻MgO膨脹劑使得混凝土具有微膨脹性能，可滿足實(shí)際工程的抗裂要求。同時，基于混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析，MgO膨脹劑的最佳摻量為6%。

2.3 混凝土溫度-應(yīng)力試驗

空白混凝土與摻6%氧化鎂的混凝土溫度-應(yīng)力試驗數(shù)據(jù)見表2。

1)開裂應(yīng)力：開裂應(yīng)力越大表示抗裂性能越好。由表2可知，摻6%氧化鎂試驗組相比空白組開裂應(yīng)力提高了12.7%。從開裂應(yīng)力指標(biāo)分析，摻氧化鎂膨脹劑的混凝土抗裂性能優(yōu)于空白組混凝土。

2)開裂溫度：開裂溫度反映了混凝土的綜合性能指標(biāo)，開裂溫度越低，混凝土抗早期溫度應(yīng)力開裂的能力越高。由表2可知，空白組開裂溫度為4.9 ℃，摻6%氧化鎂試驗組開裂溫度為-18.5 ℃且開裂時間相比空白組延長了9.5 h。從開裂溫度指標(biāo)分析，摻氧化鎂膨脹劑大大提升了混凝土的抗裂性能。

3)應(yīng)力儲備：混凝土開裂應(yīng)力和室溫應(yīng)力的差值與開裂應(yīng)力的比值，反應(yīng)混凝土降溫至室溫環(huán)境時，儲備的應(yīng)力大小，應(yīng)力儲備越大，混凝土的抗裂性能越好。由表2可知，摻6%氧化鎂試驗組相比空白組應(yīng)力儲備提高了73.8%。從應(yīng)力儲備指標(biāo)分析，摻6%氧化鎂膨脹劑能大幅提高混凝土的抗裂性能。

表2 混凝土溫度-應(yīng)力試驗關(guān)鍵參數(shù)

綜上，采用溫度應(yīng)力試驗機(jī)的方法定量評價混凝土的開裂風(fēng)險，從開裂應(yīng)力、開裂溫度、應(yīng)力儲備三個指標(biāo)分析，均表明摻入6%氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，使得大體積混凝土開裂風(fēng)險大大降低。

3 實(shí)際工程數(shù)據(jù)監(jiān)測分析

湖北某橋梁工程主塔高18 m，分上、中、下三次澆筑，一次性澆筑6 m，截面尺寸為3.2 m×3.2 m，屬于大體積混凝土施工。為更全面了解氧化鎂膨脹劑在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，分別選取主塔上游和下游為空白段和氧化鎂試驗段，鋼筋綁扎在塔柱中心部位預(yù)埋振弦式應(yīng)變計，同時監(jiān)測混凝土內(nèi)部應(yīng)變和溫度的發(fā)展歷程?？瞻锥闻c氧化鎂試驗段中心溫度及應(yīng)變見圖4、圖5。

由圖4可以看出，空白段與氧化鎂試驗段中心溫度發(fā)展規(guī)律基本一致，在澆筑完成后0～2 d內(nèi)急劇升溫，3 d左右達(dá)到溫峰，溫峰值在80 ℃左右，隨后開始溫降階段。

由圖5可以看出，空白段混凝土在澆筑后0.5 d即完成膨脹，應(yīng)變值最大為60.12×10-6，之后開始收縮，應(yīng)變最大值與最小值差值為144.57×10-6；氧化鎂試驗段在澆筑后1.5 d即完成膨脹，應(yīng)變最大值為94.25×10-6，應(yīng)變最大值與最小值差值為72.4×10-6。與空白段相比氧化鎂試驗段持續(xù)時間延長了1 d且最大膨脹值也增加34.13×10-6。這表明在水泥水化反應(yīng)完成后，氧化鎂抗裂劑仍在膨脹反應(yīng)，從而大大降低大體積混凝土因溫降產(chǎn)生開裂的風(fēng)險。

4 結(jié) 論

a.MgO膨脹劑摻量為6%時，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%；摻量為4%和8%時，強(qiáng)度均表現(xiàn)為降低，因此6%摻量的氧化鎂膨脹劑對混凝土的強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

b.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃和40 ℃時，氧化鎂膨脹劑摻量越高，混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，且養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時，相同MgO膨脹劑摻量下混凝土的限制膨脹率均高于養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時的膨脹率，因此說明，高溫可以促進(jìn)混凝土中MgO膨脹劑的水化，這使得MgO膨脹劑在大體積混凝土中的應(yīng)用更加有利，大體積混凝土早期水化升溫放熱較快，加速M(fèi)gO膨脹劑的水化。

c.采用溫度應(yīng)力試驗機(jī)的方法定量評價混凝土的開裂風(fēng)險，與空白組相比，摻6%氧化鎂試驗組開裂應(yīng)力提高了12.7%；開裂溫度降低了23.4 ℃且開裂時間延長了9.5 h；應(yīng)力儲備提高了73.8%。三個指標(biāo)均表明摻入6%氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，使得大體積混凝土開裂風(fēng)險大大降低。

d.通過實(shí)際工程應(yīng)用可知，與空白段相比氧化鎂試驗段持續(xù)時間延長了1 d且最大膨脹值也增加34.13×10-6。這表明在水泥水化反應(yīng)完成后，氧化鎂抗裂劑仍在發(fā)生膨脹反應(yīng)，從而大大降低了大體積混凝土因溫降產(chǎn)生開裂的風(fēng)險。