外摻氧化鎂膨脹劑對水工混凝土安定性的影響研究

陳煥超，陳思堅，薛喬文，肖棋琨，梁 東

(1．廣東省水利水電科學研究院，廣州 510635；2．廣東省水利新材料與結構工程技術研究中心，廣州 510635)

1 概述

南水北調中線引江補漢、環北部灣廣東水資源配置等一大批重大水利工程的開工建設對我國相關流域區域的防洪安全、供水安全、生態安全具有非常大的戰略意義[1-4]。混凝土作為世界上用量最大的一種水硬性膠凝建筑材料，也在這些水利工程中得到了廣泛的使用[5-7]。但水工混凝土結構自澆筑成型并處于服役周期，在其水化硬化以及養護的過程中，由于材料溫度的變化以及失水干燥等原因，會發生溫度收縮和干燥收縮[8-9]，在結構內部產生收縮裂縫，嚴重影響到水工混凝土的使用和耐久性[10-13]。

為了解決水工混凝土開裂問題，目前國內外研究者從材料、施工及設計角度提出改善水工混凝土開裂的一系列措施，其中在混凝土材料中摻入氧化鎂膨脹劑補償其自身的收縮是一種有效的防開裂措施[14-19]。氧化鎂膨脹劑的水化產物穩定，具有延遲膨脹的特性[20-21]，利用其水化產生的化學能可使混凝土自身體積膨脹，也能產生預壓應力[22-23]，抵消溫度變化過程中的收縮應力，其自身的膨脹性能也可根據具體情況調節[24-25]，同時膨脹劑本身的膨脹速率和混凝土結構收縮的速率相匹配，可有效補償混凝土后期的收縮，從而減少混凝土因收縮而產生的裂縫，提高其使用壽命和耐久性。張貞強等研究了氧化鎂膨脹劑的基本膨脹機理，結果表明，氧化鎂膨脹劑可以有效降低混凝土的孔隙率，改善其孔結構并提高其密實度[26]；馮靜靜等對比了不同氧化鎂膨脹劑對混凝土早期裂縫自愈合性能的影響，結果表明，混凝土的限制膨脹率與氧化鎂膨脹劑的活性和摻量有關，氧化鎂膨脹劑對初始寬度為0.400 mm及以下的混凝土早期裂縫有較好的愈合效果[27]；徐月龍等通過試驗研究了不同煅燒溫度所得氧化鎂膨脹劑對混凝土膨脹性能的影響，研究表明，煅燒溫度較高的膨脹劑早期膨脹速度較慢，后期膨脹效果好[28]。目前，關于氧化鎂膨脹劑的研究主要集中在自身特性以及對混凝土的膨脹性能影響等方面，氧化鎂膨脹劑對水工混凝土安定性能的影響評價相對較少。本文研究了不同摻量的氧化鎂膨脹劑對水工混凝土安定性能的影響，并通過混凝土的力學性能確定了膨脹劑的最佳摻量，在此基礎上探究了摻入氧化鎂膨脹劑對不同強度等級混凝土結構的影響，為氧化鎂膨脹劑實際應用于水利工程提供參考。

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

氧化鎂膨脹劑由廣東巨三實業有限公司提供，主要由氧化鎂(MgO)、二氧化硅(SiO2)以及氧化鈣(CaO)組成，其各檢測參數見表1所示，均符合《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》(DL/T 5296—2016)要求，膨脹劑加入時不計入膠凝材料中，作為外摻使用。制備混凝土所用水泥為廣東新南華有限公司生產的P·O 42.5 水泥，粉煤灰為產自梅州嘉遠的Ⅱ級粉煤灰，骨料為自產的人工骨料，減水劑和引氣劑為廣東強仕建材科技有限公司生產的FDN-440W型萘系緩凝高效減水劑以及JB-SJ1型引氣劑(氧化鎂膨脹劑檢測參數及標準見表1)。

表1 氧化鎂膨脹劑檢測參數及標準

2.2 試驗方法

1)評價指標

氧化鎂膨脹劑對水工混凝土安定性能的評價指標為混凝土膨脹率及其劈裂抗拉強度與基準混凝土的劈裂抗拉強度之比。

混凝土膨脹率按式(1)計算：

(1)

式中：

p——試件膨脹率；

Lt——齡期t天時試件所測量長度的讀數，mm；

L0——試件脫模后的初始長度讀數，mm；

Δ——所埋測頭的長度，mm。

2)測試方法

氧化鎂膨脹劑對水工混凝土安定性的影響研究根據《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》(DL/T 5296—2016)中摻氧化鎂混凝土的安定性試驗方法進行測試，測試所需的混凝土規格為75 mm×75 mm×275 mm的棱柱狀試件以及100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，測試所用水工混凝土按強度等級分為C10和C20兩種，制備所用的配比見表2所示。

表2 混凝土所用配比

試件兩端需埋好測頭，棱柱狀試件脫模后立即測量其長度，作為混凝土試件的基準長度，隨后將試件放回養護箱，按照混凝土的齡期依次取出并測量試件長度，同時測試試件以及基準混凝土的劈裂抗拉強度。

混凝土的絕熱溫升試驗根據《水工混凝土試驗規程》(DL/T 5150—2017)進行，測試摻入氧化鎂膨脹劑的混凝土拌合物溫度，然后分兩層裝入到對應的容器中并埋入測試裝置，隨后控制絕熱室內溫度余試樣中心的溫度，使其保持一致，根據標準要求記錄測試數據，到28 d結束。

3 試驗結果與討論

3.1 混凝土膨脹率變化

摻入不同摻量氧化鎂的C10和C20混凝土膨脹率隨齡期的變化曲線如圖1和圖2所示。對比同一強度等級的混凝土膨脹率變化曲線，可以看出隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，其對應齡期的膨脹率也逐漸增加，而對比不同強度等級的混凝土膨脹率變化曲線可以看出在氧化鎂摻量相同時，C20混凝土的最大膨脹率要高于C10混凝土的膨脹率，當摻量為8%時，齡期為360 d的C10混凝土和C20混凝土膨脹率均為最大，膨脹率分別380×10-6和430×10-6，均小于600×10-6。說明隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，水工混凝土的安定性逐漸減弱，高強度等級的水工混凝土其安定性也會有所減弱，在這5種摻量范圍內水工混凝土的安定性均滿足工程標準，在規定齡期內未發生超量膨脹的現象，使用的氧化鎂膨脹劑具有良好的活性以及補償收縮性能。

圖1 不同氧化鎂摻量C10混凝土膨脹率隨齡期變化曲線示意

3.2 混凝土劈裂抗拉強度比變化

摻入氧化鎂膨脹劑混凝土劈裂抗拉強度與基準混凝土的劈裂抗拉強度比變化如圖3所示。在實際工程中混凝土的劈裂抗拉強度比應不小于0.85，由圖3可以看出摻入了氧化鎂膨脹劑的水工混凝土的劈裂抗拉強度比均滿足實際工程的要求，同時對比不同等級混凝土的劈裂抗拉強度比，可以看出膨脹劑摻量在6%時不同等級混凝土的劈裂抗拉強度比未發生變化，說明摻量為6%時混凝土的安定性最為穩定，為5種摻量中的最佳摻量。

圖3 摻入氧化鎂膨脹劑混凝土劈裂抗拉強度與基準混凝土的劈裂抗拉強度之比示意

3.3 絕熱溫升變化

圖4為不同強度等級混凝土的絕熱溫升曲線，其中C10和C20混凝土的氧化鎂膨脹劑摻量均為6%。由圖4可以看出不同齡期下，C20混凝土的絕熱溫升值要相較C10混凝土略微增加約1℃～2.3℃，C20混凝土的絕熱溫升曲線與C10混凝土的絕熱溫升曲線除增加幅度外基本一致，說明氧化鎂膨脹劑與不同等級的混凝土均有良好的匹配性。此外，曲線趨勢的一致也證明了氧化鎂膨脹劑對混凝土具有非常好的分散性。

圖4 不同強度等級混凝土絕熱溫升曲線示意

4 結語

1)隨著氧化鎂摻量以及齡期的增加，混凝土的膨脹率逐漸增加，當摻量為8%時，齡期為360 d的C10混凝土和C20混凝土膨脹率均為最大，膨脹率分別380×10-6和430×10-6。

2)氧化鎂膨脹劑摻量在6%時不同強度等級混凝土的劈裂抗拉強度比未發生變化，劈裂抗拉強度比均為1.05，混凝土安定性最好，6%為氧化鎂膨脹劑的最佳摻量。

3)高強度等級混凝土的絕熱溫升值要高于低強度等級混凝土的絕熱溫升值，氧化鎂膨脹劑具有良好的分散性，與不同強度等級的混凝土配合比也有較好的匹配性。