氧化鎂補(bǔ)償收縮混凝土變形特性研究

朱長華

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

混凝土在凝結(jié)硬化過程中收縮大于其極限拉伸率時可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。利用膨脹劑在水化過程中產(chǎn)生體積膨脹來補(bǔ)償混凝土收縮是防止其收縮開裂的有效措施[1-2]。膨脹劑主要分為硫鋁酸鹽、游離氧化鈣、游離氧化鎂等3類。其中，硫鋁酸鹽和游離氧化鈣系膨脹劑的膨脹效能大部分發(fā)生在早期(3～7 d)，28 d后幾乎不再膨脹，甚至出現(xiàn)膨脹量下降[3- 4]，且不具有補(bǔ)償溫度收縮的作用。氧化鎂系膨脹劑具有溫度激發(fā)特性[5]，可補(bǔ)償混凝土的溫度和干燥收縮，同時還可減小混凝土收縮，在水工混凝土中得到了較多應(yīng)用[6-7]。目前，已有學(xué)者對氧化鎂水化產(chǎn)生膨脹的機(jī)理[8]以及不同溫度下水化活性[9-10]進(jìn)行了研究，但關(guān)于實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度匹配下氧化鎂混凝土變形特性的研究較少，室內(nèi)缺少評價其在實(shí)際工況下補(bǔ)償混凝土收縮性能的便捷方法。本文擬在不同的煅燒溫度下制備具有不同活性的氧化鎂膨脹劑，研究氧化鎂補(bǔ)償收縮混凝土在不同養(yǎng)護(hù)制度下的變形規(guī)律，為氧化鎂膨脹劑在混凝土工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)用水泥為北京金隅P·O 42.5水泥，比表面積為342 m2/kg，堿含量為0.56%。粉煤灰為赤峰市元寶山Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度為8.6%，需水量比為92%，燒失量為0.46%，CaO含量為2.71%。菱鎂礦產(chǎn)自遼寧海城，屬于一級菱鎂礦，其化學(xué)成分如表1所示。菱鎂礦分別在4種溫度(800，900，1 000和 1 100 ℃)下煅燒，冷卻后，粉磨至350目細(xì)度的粉體，得到不同活性的氧化鎂膨脹劑，分別記為MA，MB，MC和MD。細(xì)骨料為河北遵化的Ⅱ區(qū)中河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為 2 610 kg/m3，含泥量為1.3%。粗骨料為天津薊縣5～20 mm兩級配碎石，表觀密度為 2 650 kg/m3，含泥量為0.3%，壓碎值為5.8%。減水劑為河北金舵聚羧酸高性能減水劑。

表1 菱鎂礦化學(xué)成分 %

1.2 配合比

選取對體積穩(wěn)定性要求較高的隧道襯砌C40混凝土作為研究對象，經(jīng)過大量試配試驗(yàn)，確定了如表2所示的混凝土配合比。

表2 試驗(yàn)用配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

采用STA449F3型同步熱分析儀對菱鎂礦進(jìn)行熱分析，測試溫度范圍為25～1 000 ℃，加熱速度為 10 ℃/min，測試氣氛為空氣。采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀表征樣品的物相組成，采用步進(jìn)掃描模式，掃描速度為6°/min，步長為0.02°，每步掃描時間為0.2 s。MgO的活性反應(yīng)時間按照《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL /T 5296—2013)進(jìn)行。

混凝土試件的限制膨脹率按照《混凝土膨脹劑》(GB 23439—2009)進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)條件分別為20 ℃水養(yǎng)護(hù)、60 ℃水養(yǎng)護(hù)和溫度匹配養(yǎng)護(hù)。溫度匹配養(yǎng)護(hù)下收縮試驗(yàn)用試件強(qiáng)度達(dá)到3～5 MPa時拆模，立即用環(huán)氧樹脂快速密封，在室溫下測試試件的初始長度，然后放入蒸養(yǎng)箱進(jìn)行溫度匹配養(yǎng)護(hù)，并測試不同溫度下混凝土試件的長度，當(dāng)溫度回到起始溫度時，測試試件的最終長度?；炷粮稍锸湛s試驗(yàn)遵照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氧化鎂膨脹劑的反應(yīng)活性

圖1為菱鎂礦的XRD(X-ray Diffraction)圖譜和熱分析試驗(yàn)結(jié)果。由圖1(a)可知，菱鎂礦的物相主要為MgCO3，結(jié)合菱鎂礦的化學(xué)成分(參見表1)，經(jīng)計算可知該菱鎂礦中MgCO3含量為95.7%。由圖1(b)可知，MgCO3在550～655 ℃之間發(fā)生分解，吸熱峰為630 ℃，在煅燒溫度800～1 100 ℃ 時菱鎂礦可以完全分解。

圖1 菱鎂礦的XRD圖譜與TG-DSC曲線

本文通過改變煅燒溫度，制備得到4種不同活性的氧化鎂，并測試其活性反應(yīng)時間，時間越短表明氧化鎂的活性越高，反之則氧化鎂的活性越低，試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？芍?，氧化鎂的活性反應(yīng)時間隨著煅燒溫度的增加而提高，表明其水化活性隨之降低。當(dāng)煅燒溫度超過 1 000 ℃ 時，氧化鎂的水化活性顯著降低。這可能是由于煅燒溫度升高引起氧化鎂晶格畸變減少，晶粒之間孔隙收縮，結(jié)構(gòu)變得緊密，其活性隨之下降[11]。

圖2 不同煅燒溫度下制得氧化鎂的活性反應(yīng)時間

2.2 常溫水養(yǎng)條件下氧化鎂混凝土的變形性能

試驗(yàn)中選擇20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度以模擬一般環(huán)境下混凝土施工溫度，研究水養(yǎng)條件下不同煅燒溫度氧化鎂對試件限制膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖可知，在20 ℃水養(yǎng)條件下，基準(zhǔn)混凝土的變形率約為0，表現(xiàn)為不收縮也不膨脹，而摻氧化鎂混凝土隨齡期發(fā)展均表現(xiàn)為持續(xù)膨脹，且氧化鎂煅燒溫度越低混凝土限制膨脹率越大。摻MA,MB型氧化鎂混凝土在水中14 d限制膨脹率>150×10-6，滿足補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率要求。

圖3 20 ℃水養(yǎng)條件下?lián)窖趸V混凝土的限制膨脹率

2.3 常溫干燥條件下?lián)窖趸V混凝土的變形性能

圖4 20 ℃干燥條件下?lián)窖趸V混凝土的干燥收縮

試驗(yàn)中選擇20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度以模擬一般環(huán)境下混凝土施工溫度，研究干燥條件下不同煅燒溫度下氧化鎂對試件干燥收縮率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖可知，在20 ℃干養(yǎng)條件下，基準(zhǔn)混凝土56 d干縮率為404×10-6。與之相比，相同齡期時摻氧化鎂混凝土干燥收縮率均不同程度降低，氧化鎂煅燒溫度越高，摻氧化鎂混凝土補(bǔ)償收縮效果越差，當(dāng)煅燒溫度為800 ℃時摻氧化鎂混凝土干縮降低30%，當(dāng)煅燒溫度為 1 100 ℃ 時摻氧化鎂混凝土干縮僅降低1.5%?？梢?，1000～1 100 ℃ 時煅燒制得的氧化鎂活性較低，不適用于常溫下混凝土的收縮補(bǔ)償，800～900 ℃ 煅燒制得的氧化鎂活性較高，較適用于常溫下混凝土的收縮補(bǔ)償。

2.4 高溫水養(yǎng)條件下?lián)窖趸V混凝土的變形性能

試驗(yàn)中選擇60 ℃養(yǎng)護(hù)溫度以模擬大體積混凝土的芯部溫度，研究水養(yǎng)條件不同煅燒溫度下制得的氧化鎂對混凝土試件限制膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖可知，該溫度下混凝土變形可分2階段：在第1階段(1～3 d)，與圖3結(jié)果基本吻合；在第2階段(3 d以后)，與圖3結(jié)果正好相反，即表現(xiàn)為氧化鎂煅燒溫度越高，混凝土限制膨脹率越大，尤其是7 d齡期以后，摻MD氧化鎂混凝土限制膨脹率顯著高于其他混凝土，且增長率仍處于較高水平。MD氧化鎂活性較低，但在高溫條件下其水化速度加快，具有延遲膨脹特性，適用于大體積混凝土由于水化溫升導(dǎo)致的溫度收縮補(bǔ)償。

圖5 60 ℃水養(yǎng)條件下?lián)窖趸V混凝土的限制膨脹率

2.5 匹配養(yǎng)護(hù)條件下氧化鎂混凝土的變形性能

試驗(yàn)中以匹配養(yǎng)護(hù)溫度(溫峰為45 ℃和65 ℃)、絕濕條件來模擬實(shí)體混凝土所處的環(huán)境，研究該條件下不同煅燒溫度氧化鎂對混凝土自由膨脹率的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 溫度匹配下?lián)窖趸V混凝土自由膨脹率

由圖6(a)可知，試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)溫度在2 d齡期時上升至溫峰45 ℃，然后緩慢下降，13 d齡期時降至室溫25 ℃，在該養(yǎng)護(hù)溫度變化歷程下，所有試件隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高均出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，隨養(yǎng)護(hù)溫度降低出現(xiàn)膨脹回落現(xiàn)象。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度回到起始溫度時，基準(zhǔn)混凝土收縮值約230×10-6，摻MA氧化鎂混凝土收縮值約115×10-6，摻MD氧化鎂混凝土收縮值約69×10-6，摻MB,MC氧化鎂混凝土基本無收縮。以混凝土熱膨脹系數(shù)為10×10-6℃-1計算[12]，MB,MC氧化鎂可等效補(bǔ)償混凝土溫降23 ℃引起的收縮。

由圖6(b)可知，試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)溫度在2 d齡期時上升至溫峰65 ℃，然后緩慢下降，13 d齡期時降至室溫25 ℃，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度回到起始溫度時基準(zhǔn)混凝土收縮值約260×10-6，摻MA,MB和MC氧化鎂混凝土收縮值分別為165×10-6，99×10-6,25×10-6,摻MD氧化鎂混凝土仍為膨脹狀態(tài)，膨脹值為64×10-6。在該養(yǎng)護(hù)溫度下，隨氧化鎂煅燒溫度升高，其對混凝土補(bǔ)償收縮效果提高，1 100 ℃ 煅燒制得的MD氧化鎂適用于高溫峰條件下混凝土溫度收縮補(bǔ)償。

3 結(jié)論

1)氧化鎂的活性反應(yīng)時間隨著煅燒溫度的增加而提高，表明其水化活性隨之降低。

2)800～900 ℃煅燒制得的MA、MB氧化鎂活性較高，適用于常溫環(huán)境下混凝土干燥收縮補(bǔ)償。

3)1000 ℃ 煅燒制得的MC氧化鎂活性較低，對混凝土中等水化熱引起的溫度收縮具有良好的補(bǔ)償效果。

4)1 100 ℃ 煅燒制得的MD氧化鎂活性低，具有延遲膨脹特性，對大體積混凝土高水化熱引起的溫度收縮具有良好的補(bǔ)償效果。

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