外摻氧化鎂混凝土自生體積變形影響因素的試驗研究

黃壽良，楊富亮，馬 芳

（中國水利水電第三工程局有限公司勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710000）

外摻氧化鎂混凝土自生體積變形影響因素的試驗研究

黃壽良，楊富亮，馬 芳

（中國水利水電第三工程局有限公司勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710000）

通過長達6年齡期，對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形的觀測，了解氧化鎂摻量、粉煤灰摻量、水膠比和巖石種類對自生體積變形的影響。試驗結(jié)果表明，混凝土自生體積變形隨氧化鎂摻量的增加而增大；隨粉煤灰摻量的增加早期變形增大，后期降低；不同水膠比對自生體積變形的影響主要在早期，1年后變形基本相當；不同巖石種類對自生體積變形有顯著的影響。為外摻氧化鎂混凝土研究和應(yīng)用提供參考。

自生體積變形；氧化鎂；粉煤灰；摻量；水膠比；巖石種類

1 研究背景

混凝土壩的裂縫及其防治一直是水電工程界十分關(guān)注的重大技術(shù)問題。混凝土水化硬化過程中，強度的增長同時伴隨著體積的收縮變形，由于混凝土自身抗拉強度較低，因而極易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象［1］，不僅影響工程結(jié)構(gòu)外觀，而且影響建筑物的安全運行，尤其是那些危害性裂縫的出現(xiàn)，往往會影響到混凝土壩的使用壽命。為了補償水工混凝土自身的收縮變形和溫降過程中產(chǎn)生的體積收縮，在混凝土拌制過程中摻入一定量的輕燒氧化鎂粉劑，利用特有的延遲微膨脹性能［2］，產(chǎn)生適度膨脹，在約束條件下，可在混凝土結(jié)構(gòu)中形成一定的預(yù)壓應(yīng)力，一定程度上可消減混凝土在硬化和溫降過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而提高混凝土的抗裂能力［3-4］。通過氧化鎂摻量、粉煤灰摻量、水膠比和巖石種類，了解外摻氧化鎂混凝土自生體積變形規(guī)律的影響。

2 試驗原材料

2.1 水泥 試驗采用水城和葛洲壩42.5中熱水泥，比表面積分別為316m2/kg和319m2/kg，標準稠度用水量分別為25.8%和25.4%，安定性合格，強度滿足國家標準要求。其主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （單位：%）

2.2 粉煤灰 試驗采用宣威和黃桷莊粉煤灰，細度檢測采用0.045 mm方孔篩，品質(zhì)檢測結(jié)果滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005的Ⅰ級粉煤灰技術(shù)要求。粉煤灰品質(zhì)檢測結(jié)果見表2。2.3 氧化鎂 輕燒氧化鎂的細度檢測采用0.045mm方孔篩。氧化鎂品質(zhì)檢測結(jié)果見表3。

2.4 骨料 氧化鎂、粉煤灰摻量和不同水膠比試驗采用灰?guī)r人工砂，細度模數(shù)2.57，顆粒級配良好，飽和面干表觀密度2.66 g/cm3；粗骨料為玄武巖人工骨料，小石（5～20mm）和中石（20～40mm）。巖石種類組合及粗細骨料24 h吸水率和線膨脹系數(shù)品質(zhì)檢測結(jié)果見表4。

表2 粉煤灰品質(zhì)檢測結(jié)果

表3 氧化鎂品質(zhì)檢測結(jié)果

表4 巖石種類組合及粗細骨料24h吸水率和線膨脹系數(shù)品質(zhì)檢測結(jié)果

2.5 外加劑 試驗采用ZB-1A萘系和JM-PCA聚羧酸系減水劑，ZB-1G和AIR202引氣劑，品質(zhì)均符合現(xiàn)行標準要求。

3 試驗配合比及方法

3.1 配合比

3.1.1 常態(tài)混凝土 常態(tài)混凝土均采用水城42.5中熱水泥、宣威Ⅰ級粉煤灰、第一批輕燒氧化鎂，ZB-1A高效減水劑和AIR202引氣劑。通過調(diào)整用水量和引氣劑摻量，控制混凝土拌和物坍落度和含氣量，坍落度為40～60mm，含氣量為4.5%～5.5%，氧化鎂摻量為水泥質(zhì)量的百分比。

3.1.2 泵送混凝土 采用葛洲壩42.5中熱水泥、黃桷莊Ⅰ級粉煤灰、第二批輕燒氧化鎂，JM-PCA高性能減水劑和ZB-1G引氣劑。固定用水量，通過調(diào)整減水劑和引氣劑摻量，控制混凝土坍落度和含氣量，坍落度為160～180 mm，含氣量為4%～6%，氧化鎂摻量為膠材總量的百分比。氧化鎂摻量中固定用水量調(diào)整減水劑和引氣劑摻量為泵送混凝土，其他均為常態(tài)混凝土，混凝土配合比參數(shù)見表5。

3.2 試驗方法 依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》DL/T5150-2001，進行混凝土自生體積變形試驗。

3.3 試驗條件 自生體積變形試件尺寸為φ200 mm×600 mm，試件中埋入DI-25型應(yīng)變計；自生體積變形試件在密封的條件下，置于恒溫（20±2℃）環(huán)境中養(yǎng)護、觀測；采用SQ-5數(shù)字式電橋量測電阻和電阻比，計算混凝土的變形。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 氧化鎂摻量 氧化鎂摻量采用兩種方法進行試驗，一種方法通過固定減水劑摻量，調(diào)整用水量和引氣劑摻量，控制混凝土拌和物坍落度和含氣量；另一種方法通過固定用水量，調(diào)整減水劑和引氣劑摻量，控制混凝土拌和物坍落度和含氣量。

4.1.1 固定減水劑摻量調(diào)整用水量和引氣劑摻量 氧化鎂摻量混凝土自生體積變形試驗結(jié)果見表6和圖1。從表6和圖1可以看出，混凝土自生體積變形隨著氧化鎂摻量的增加膨脹變形而增大。摻量2%和4%，混凝土自生體積變形規(guī)律為，膨脹→倒縮→回脹→穩(wěn)定，7 d左右均由膨脹轉(zhuǎn)為倒縮，28 d～60 d齡期繼續(xù)呈收縮狀態(tài)，60 d后均呈回脹趨勢，1年后趨于穩(wěn)定呈緩慢微膨脹增長趨勢，6年齡期混凝土自生體積變形分別為19.3和60.5微應(yīng)變。

表5 混凝土配合比參數(shù)

摻量6%和8%，混凝土自生體積變形始終呈微膨脹趨勢，6年齡期膨脹變形高達106.4和175.6微應(yīng)變，最終膨脹量和膨脹趨于穩(wěn)定時間還有待跟蹤驗證。

通過長達6年外摻氧化鎂混凝土自生體積變形的觀測，摻量2%～4%可滿足混凝土微膨脹要求，1年后呈緩慢微膨脹增長趨勢，增長速度逐漸減緩，它既不會產(chǎn)生無限膨脹，又不會出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，其長期膨脹變形能總是趨于穩(wěn)定的，膨脹變形曲線亦比較理想［5］。

4.1.2 固定用水量調(diào)整減水劑和引氣劑摻量 采用固定用水量，保持混凝土中水泥和粉煤灰用量一致，消除了由于水泥用量差異導(dǎo)致自身內(nèi)含氧化鎂波動而引起的試驗偏差，從而保持混凝土中外摻氧化鎂含量相對固定，增強了數(shù)據(jù)的可比性，自生體積變形試驗結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，隨著氧化鎂摻量遞增，混凝土自生體積變形亦呈現(xiàn)膨脹變形而逐步遞增，氧化鎂摻量、混凝土自生體積變形和齡期有著一一對應(yīng)的關(guān)系，膨脹變形規(guī)律明顯優(yōu)于固定減水劑摻量、調(diào)整用水量和引氣劑摻量的試驗方法。按照工程設(shè)計對混凝土膨脹量的要求，通過調(diào)整氧化鎂摻量，控制混凝土的膨脹量，可滿足工程運用。

表6 氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形試驗結(jié)果

圖1 氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形曲線

圖2 氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形曲線

4.2 粉煤灰摻量 粉煤灰摻量對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形試驗結(jié)果見表7和圖3。從表7和圖3可以看出，氧化鎂摻量6%時，早期隨著粉煤灰摻量的增加膨脹變形增大，后齡期則降低，摻量越大后齡期膨脹變形增長減緩愈早，摻量越小則減緩的齡期愈長。

6年齡期粉煤灰摻量20%比摻量0%氧化鎂混凝土膨脹變形減小僅10微應(yīng)變，摻量35%比摻量20%膨脹變形減小高達47.4微應(yīng)變，摻量50%比摻量35%膨脹變形減小僅7.9微應(yīng)變，可知粉煤灰摻量在35%左右為最佳摻量，可有效減緩氧化鎂混凝土后齡期過度膨脹變形帶來的不利影響。

表7 粉煤灰摻量對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形試驗結(jié)果

早期由于粉煤灰的摻入降低了混凝土的收縮，且混凝土的彈性模量較低，降低了對氧化鎂水化產(chǎn)生的膨脹變形的約束作用；后期隨著養(yǎng)護齡期的延長，粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化反應(yīng)，其水化產(chǎn)物使混凝土的強度和彈性模量逐漸提高，因而對氧化鎂水化產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力的約束作用增大，使自生體積變形相應(yīng)變?。?-7］。

4.3 水膠比 水膠比對氧化鎂混凝土自生體積變形試驗結(jié)果見表8和圖4。從表8和圖4可以看出，氧化鎂摻量6%時，早期隨水膠比的增大膨脹變形增大，60 d～3 a齡期水膠比0.49變形最大，3年后水膠比0.45變形最大，不同水膠比自生體積變形過程曲線基本一致。

圖3 粉煤灰摻量對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形曲線

早期隨水膠比的增大，降低氧化鎂混凝土的強度和彈性模量，因此在相同的膨脹應(yīng)力作用下變形增大［8-9］；當水膠比增大時，混凝土的孔隙率增大，有利于Mg（OH）2晶體的生成和結(jié)晶壓力的增長，使自生體積變形增大［10］。

表8 水膠比對氧化鎂混凝土自生體積變形試驗結(jié)果

圖4 水膠比對氧化鎂混凝土自生體積變形過程曲線

4.4 巖石種類 由于混凝土配合比計算所用的粗細骨料均為飽和面干狀態(tài)，從表5混凝土配合比參數(shù)可知，巖石種類及粗細骨料24h吸水率對混凝土單位用水量影響較小，粗細骨料均為玄武巖和灰?guī)r用水量分別為113和114kg/m3，其他骨料組合的用水量均為115 kg/m3，試驗結(jié)果見表9和圖5。從表9和圖5可以看出，巖石種類對氧化鎂混凝土自生體積變形有顯著的影響。玄武巖骨料各齡期混凝土自生體積膨脹變形均小于花崗巖、灰?guī)r和白云巖+灰?guī)r，6年齡期玄武巖比灰?guī)r混凝土膨脹變形減緩46.5微應(yīng)變，花崗巖各齡期自生體積變形均略低于灰?guī)r，不同巖石混凝土自生體積變形從小到大排列玄武巖、花崗巖、灰?guī)r、白云巖。

骨料所占混凝土中的比例為75%～85%，由于不同種類巖石形成過程不同，骨料長齡期吸水特性不同，引起混凝土自生體積變形收縮變形也不相同［11］。文獻［12］給出花崗巖骨料長齡期吸水過程可以看出，細骨料1年時才基本趨于穩(wěn)定，而粗骨料的吸水過程仍在繼續(xù)，吸水率繼續(xù)增加，不同種類巖石長齡期吸水趨于穩(wěn)定時間和吸水量均存在差異，并且骨料長齡期吸水特性研究成果較少，表4粗細骨料的吸水率僅為24h，對自生體積變形的影響還有待進一步試驗研究。由表4可知，不同骨料混凝土線膨脹系數(shù)也不同，除灰?guī)r骨料外，混凝土自生體積變形隨著線膨脹系數(shù)增大而增加。

表9 巖石種類對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形試驗結(jié)果

圖5 巖石種類對外摻氧化鎂混凝土自生體積變形曲線

5 結(jié)論

（1）通過長達6年齡期自生體積變形的觀測，氧化鎂摻量以水泥質(zhì)量百分比計，2%～4%可滿足混凝土微膨脹要求，1年后呈緩慢微膨脹增長趨勢，增長速度逐漸減緩，膨脹變形曲線亦比較理想的。只要摻量合理，既不會產(chǎn)生無限膨脹，又不會出現(xiàn)回縮現(xiàn)象，長期膨脹變形總是趨于穩(wěn)定。（2）采用固定用水量調(diào)整減水劑和引氣劑摻量，保持混凝土中水泥用量不變，即水泥自身內(nèi)含氧化鎂含量一致，保持混凝土外摻氧化鎂含量的相對固定，混凝土自生體積變形膨脹變形規(guī)律明顯優(yōu)于固定減水劑摻量、調(diào)整用水量和引氣劑摻量的試驗方法。按照工程設(shè)計對混凝土膨脹量的要求，通過調(diào)整氧化鎂摻量，控制混凝土的膨脹量，可滿足工程運用。（3）早期隨粉煤灰摻量的增加膨脹變形增大，后齡期則降低，摻量越大后齡期膨脹變形增長減緩愈早，摻量越小則變形增長減緩的齡期愈長，摻量在35%左右為最佳摻量，可有效減緩氧化鎂混凝土后齡期過度膨脹變形帶來的不利影響。（4）不同水膠比對氧化鎂混凝土自生體積變形的影響主要在早齡期，1年后各齡期自生體積變形基本一致。（5）玄武巖骨料各齡期混凝土自生體積膨脹變形均小于花崗巖和灰?guī)r，6年齡期玄武巖比灰?guī)r混凝土膨脹變形減緩46.5微應(yīng)變，充分說明巖石種類對氧化鎂混凝土自生體積變形有顯著的影響。

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Experimental study on the influence factors of autogenous volume deformation of concrete added Magnesium oxide

HUANG Shouliang，YANG Fuliang，MA Fang
（Investigation，Design&Research Institute of Sinohydro Bureau 3 Co.，LTD，Xi’an 710000，China）

In the observation of the autogenous volume deformation of concrete added Magnesium oxide in 6 years，the effect of Magnesium oxide content，fly ash content，water-cement ratio and rock type on the autogenous volume deformation was known.The experimental results show that the autogenous volume deformation of concrete increases with the increase of Magnesium oxide content；the early deformation increases and the late deformation reduces with the increase of fly ash content；the influence of different water-cement ratios on the autogenous volume deformation is chiefly in the early period，and the deformations are essentially the same 1 year later；the different rock types have significant influence on autogenous volume deformation.These provide reference for the research and application of concrete added Magnesium oxide.

autogenous volume deformation；magnesium oxide；fly ash；content；water-cement ratio；rock type

TV544.921

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.009

1672-3031（2016）01-0053-07

（責(zé)任編輯：祁 偉）

2015-04-13

黃壽良（1978-），男，福建邵武人，助理工程師，主要從事水工混凝土材料試驗研究。E-mail：29836076@qq.com

楊富亮（1965-），男，河南滑縣人，高級工程師，主要從事水工混凝土材料試驗研究。E-mail：xld_yfl@163.com