摻入方式對(duì)MgO混凝土性能的影響

張守治，田倩，陸安群

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

摻入方式對(duì)MgO混凝土性能的影響

張守治，田倩，陸安群

（江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

研究了MgO內(nèi)摻和外摻2種摻入方式對(duì)2種不同強(qiáng)度等級(jí)MgO混凝土新拌性能、力學(xué)性能和變形性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土的新拌性能、力學(xué)性能和變形性能有一定影響，在滿(mǎn)足MgO混凝土新拌性能和變形性能要求的前提下，基于混凝土力學(xué)性能進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，輕燒MgO在混凝土中的摻入方式應(yīng)該選用外摻的方式。

摻入方式；MgO混凝土；新拌性能；力學(xué)性能；變形性能

混凝土大壩等大型水工建筑物體積龐大，受其自身和周?chē)橘|(zhì)溫度、濕度變化的影響以及基礎(chǔ)和自身的約束作用，往往在不同部位產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，極易產(chǎn)生裂縫。裂縫問(wèn)題是影響工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵因素之一，尤其是深層裂縫和貫穿性裂縫影響工程安全，縮短工程壽命[1]。利用膨脹組分在水化過(guò)程中產(chǎn)生體積膨脹來(lái)補(bǔ)償混凝土收縮，是抑制混凝土收縮開(kāi)裂的有效措施之一。MgO膨脹劑因其水化膨脹具有延遲性和不可逆性，能補(bǔ)償混凝土的后期收縮等其它鈣礬石膨脹劑未能具有的優(yōu)點(diǎn)，而被國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者研究用來(lái)補(bǔ)償大體積混凝土的溫降收縮[2-3]。已有的研究表明[4-6]，利用MgO膨脹劑的延遲微膨脹特性，能夠補(bǔ)償大體積混凝土溫降過(guò)程的體積收縮，緩解溫控壓力，簡(jiǎn)化溫控措施，提高混凝土自身抗裂能力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、快速、優(yōu)質(zhì)建設(shè)混凝土大壩的目的，并據(jù)此發(fā)展了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“MgO混凝土快速筑壩技術(shù)”。

經(jīng)過(guò)30多年的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用，學(xué)者們?cè)贛gO膨脹劑的制備、水化作用機(jī)理、砂漿與混凝土性能、工程應(yīng)用、長(zhǎng)齡期觀測(cè)等方面取得了豐碩的成果[7-9]，然而對(duì)于MgO膨脹劑在混凝土中摻入時(shí)是否應(yīng)該取代膠凝材料的研究還少見(jiàn)其文獻(xiàn)報(bào)道。為了更全面地揭示MgO膨脹劑的摻入方式對(duì)MgO混凝土性能的影響規(guī)律，本文以C30和C50兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土為研究對(duì)象，根據(jù)輕燒MgO膨脹劑以?xún)?nèi)摻和外摻2種摻入方式在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析了2種摻入方式對(duì)MgO混凝土新拌性能、力學(xué)性能和變形性能的影響規(guī)律，為廣大工程技術(shù)人員在進(jìn)行MgO混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5級(jí)，江南小野田水泥公司生產(chǎn)；粉煤灰：Ⅰ級(jí)，南京華能電熱廠生產(chǎn)；輕燒MgO膨脹劑（Undercalcined MgO Expansive Agent，UMEA）：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，檸檬酸法[9]測(cè)其水化活性為100 s；PCA聚羧酸高性能減水劑、GYQ混凝土高效引氣劑：江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)；粗集料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石；細(xì)集料：細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂。水泥、粉煤灰和輕燒MgO膨脹劑的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 水泥、粉煤灰和輕燒MgO膨脹劑的化學(xué)成分%

1.2 配合比

試驗(yàn)選取了2組不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)值分別為C30和C50，水膠比分別為0.42、0.33，輕燒MgO膨脹劑以?xún)?nèi)摻（等質(zhì)量取代膠凝材料）和外摻（不取代膠凝材料）2種方式摻入混凝土，摻量均為膠凝材料質(zhì)量的5%，混凝土具體配合比見(jiàn)表2。

表2 混凝土具體配合比

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土新拌性能按GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中坍落度法進(jìn)行測(cè)試?；炷量箟簭?qiáng)度和劈拉強(qiáng)度按GB/T 50081—2011《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，采用100 mm×100 mm×100 mm鋼試模?；炷磷冃翁匦栽囼?yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型棱柱體試件，采用100 mm×100 mm×515 mm鋼試模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（24±2）h后脫模，然后將試件分成2組，并分別養(yǎng)護(hù)于不同的環(huán)境條件下，以測(cè)試輕燒MgO膨脹劑對(duì)混凝土變形特性的影響。其中，第1組試件放置在（20±1）℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期并測(cè)試其水養(yǎng)膨脹率；第2組試件先用自粘性鋁箔包裹密封后，放置在溫度為（20±1）℃，相對(duì)濕度為（60±5）%的密封絕濕環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其自身體積變形率。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土新拌性能的影響（見(jiàn)表3）

表3 輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土新拌性能的影響

從表3可以看出，基準(zhǔn)混凝土初始坍落度均在170～200 mm，含氣量為5%～6%。保持用水量不變的條件下，隨著輕燒MgO的摻入，對(duì)混凝土含氣量基本沒(méi)有影響，但對(duì)混凝土坍落度有一定的影響，與內(nèi)摻輕燒MgO混凝土相比，外摻輕燒MgO混凝土初始坍落度降低更明顯。這主要因?yàn)橥鈸捷p燒MgO時(shí)，增加了膠凝材料總量，降低了混凝土實(shí)際水膠比。通過(guò)調(diào)整減水劑摻量，可以使外摻輕燒MgO混凝土和內(nèi)摻輕燒MgO混凝土初始坍落度均保持在170～200 mm，含氣量控制在5%～6%。

2.2 輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響（見(jiàn)表4）

表4 輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

從表4可以看出，2種強(qiáng)度等級(jí)基準(zhǔn)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；與不摻輕燒MgO的基準(zhǔn)混凝土相比，當(dāng)輕燒MgO以?xún)?nèi)摻的方式摻入混凝土?xí)r，略微降低混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度；當(dāng)輕燒MgO以外摻的方式摻入混凝土中時(shí)，無(wú)論在哪種強(qiáng)度等級(jí)下，均可在一定程度上提高混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。由此可以看出，輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土力學(xué)性能有一定的影響，基于混凝土力學(xué)性能進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，輕燒MgO在混凝土中的摻入方式應(yīng)該選用不取代膠凝材料外摻的方式。

2.3 輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土變形性能的影響

在20℃水中養(yǎng)護(hù)和20℃密封絕濕養(yǎng)護(hù)條件下，輕燒MgO摻入方式對(duì)C30和C50混凝土膨脹變形特性的影響分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 20℃水養(yǎng)條件下輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土膨脹性能的影響

由圖1可見(jiàn)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，輕燒MgO摻入方式不同，其水養(yǎng)膨脹性能也有一定的差異，但差異不顯著，總體而言，外摻輕燒MgO混凝土的膨脹率略大于內(nèi)摻輕燒MgO混凝土的膨脹率；混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)，輕燒MgO在低強(qiáng)混凝土中的膨脹率大于在高強(qiáng)混凝土中的膨脹率，強(qiáng)度等級(jí)越低，輕燒MgO在混凝土中的膨脹率越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，筆者認(rèn)為與混凝土的孔隙率有關(guān)，低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的孔隙率相對(duì)較大、大孔含量較多，一方面有利于外界環(huán)境中自由水分向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，提高了基體吸水腫脹效益，另一方面低強(qiáng)度對(duì)MgO膨脹應(yīng)力的限制約束能力相對(duì)較弱，有利于膨脹效應(yīng)的發(fā)揮，從而導(dǎo)致輕燒MgO在C30混凝土中的水養(yǎng)膨脹率大于其在C50混凝土中的相應(yīng)值。

圖2 20℃密封絕濕條件下輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土膨脹性能的影響

由圖2可見(jiàn)，無(wú)論是內(nèi)摻還是外摻，輕燒MgO在2種不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的自生體積變形曲線均表現(xiàn)出先收縮后膨脹的趨勢(shì)。與輕燒MgO的水養(yǎng)膨脹性能類(lèi)似，強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，外摻輕燒MgO的自生體積變形值略大于內(nèi)摻輕燒MgO，但差異不顯著；強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)，強(qiáng)度等級(jí)越低，輕燒MgO的自生體積變形性能越大。在C30混凝土中，外摻輕燒MgO在33 d即能完全補(bǔ)償混凝土自生收縮，開(kāi)始產(chǎn)生自膨脹；在C50混凝土中，輕燒MgO在39 d測(cè)試齡期內(nèi)不能完全補(bǔ)償混凝土自生收縮，但與不摻輕燒MgO的基準(zhǔn)混凝土相比，39 d時(shí)可減縮72.6%～75.9%。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，筆者認(rèn)為混凝土強(qiáng)度等級(jí)低時(shí)，膠凝材料用量少、水膠比高，混凝土內(nèi)部可供水化的自由水量相對(duì)較多，輕燒MgO水化和水泥水化對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)程度較弱，一方面基準(zhǔn)混凝土自生收縮相對(duì)較小，另一方面水膠比相對(duì)較大，更利于輕燒MgO在缺水絕濕環(huán)境下的水化膨脹，對(duì)混凝土的自收縮補(bǔ)償效果好；混凝土強(qiáng)度等級(jí)高時(shí)，膠凝材料用量多、水膠比低，混凝土內(nèi)部可供水泥和MgO水化的自由水量相對(duì)較少，MgO水化和水泥水化對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)程度激烈，對(duì)于體系中有限的水分，一方面隨著水泥水化的進(jìn)行引起自干燥效應(yīng)加劇，混凝土宏觀自收縮變形增大，另一方面使輕燒MgO因缺少必要的自由水而使其膨脹效能無(wú)法正常發(fā)揮，從而導(dǎo)致輕燒MgO對(duì)混凝土的自收縮補(bǔ)償效果較弱。

綜合對(duì)比圖1和圖2中輕燒MgO的變形規(guī)律可以看出，輕燒MgO摻入方式對(duì)混凝土變形性能有一定的影響，但影響不顯著，輕燒MgO在低強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的膨脹變形相對(duì)大，在高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中的膨脹變形相對(duì)較小。因此，基于混凝土體積穩(wěn)定性進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，輕燒MgO在高強(qiáng)度等級(jí)混凝土中應(yīng)用時(shí)可相應(yīng)加大摻量，以提高收縮補(bǔ)償效果。

3 結(jié)論

（1）無(wú)論以等質(zhì)量取代膠凝材料的方式內(nèi)摻，還是不取代膠凝材料以外加劑的形式外摻，輕燒MgO膨脹劑的摻入對(duì)混凝土含氣量基本無(wú)影響，但對(duì)混凝土坍落度有一定的影響，與內(nèi)摻相比，外摻的影響相對(duì)更明顯。通過(guò)微調(diào)減水劑用量，可解決由輕燒MgO摻入導(dǎo)致的混凝土坍落度損失問(wèn)題。

（2）無(wú)論在C30混凝土中，還是在C50混凝土中，輕燒MgO內(nèi)摻對(duì)混凝土力學(xué)性能起負(fù)效應(yīng)，輕燒MgO外摻對(duì)混凝土力學(xué)性能起正效應(yīng)。

（3）無(wú)論是內(nèi)摻還是外摻，摻入方式的改變對(duì)輕燒MgO在混凝土中的水養(yǎng)膨脹變形和自生體積變形無(wú)明顯影響。

（4）輕燒MgO膨脹劑在實(shí)際工程中應(yīng)用時(shí)，宜選用外摻形式進(jìn)行MgO混凝土配合比設(shè)計(jì)。

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The influence of different doping modes on the performance of MgO concrete

ZHANG Shouzhi，TIAN Qian，LU Anqun
（Jiangsu Sobute New Materials Co.Ltd.，Nanjing 211103，China）

The investigation was launched on concrete workability，mechanical property and deformation property.When under calcined，two different strength grade MgO expansive agents（UMEA）was incorporated replacing part of cementitious materials and regarding as admixture respectively.The results show that，when the UMEA was incorporated concrete in a difference way，the concrete workability，mechanical property and deformation property had some differences.When the MgO concrete workability and deformation property were satisfied，the UMEA incorporated in concrete ways should be used as admixture for mix designs，which because its favorable mechanical properties.

doping mode，MgO concrete，workability，mechanical property，deformation property

TU528.042.4

A

1001-702X（2016）09-0022-03

江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BM2014050）

2016-01-18；

2016-03-04

張守治，男，1982年生，安徽阜陽(yáng)人，工程師。