外摻氧化鎂膨脹劑在常態(tài)混凝土中的應(yīng)用研究

牟永文

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 外摻氧化鎂膨脹劑的目的與研究方向

犍為航電樞紐工程發(fā)電廠房布置于左河槽，為河床式廠房。由于廠房混凝土澆筑體積大，為解決廠房混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的收縮，從而盡可能避免或減少裂縫，以免廠房運(yùn)行過程中出現(xiàn)滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

為驗(yàn)證氧化鎂在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果，特將澆筑塊均分為外摻氧化鎂和常規(guī)普通同強(qiáng)度等級(jí)混凝土，進(jìn)行同一倉(cāng)位按順序澆筑，并通過在兩塊混凝土中對(duì)應(yīng)布置相同監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè)和混凝土力學(xué)性能檢驗(yàn)，對(duì)外摻氧化鎂混凝土在溫度、應(yīng)變、強(qiáng)度等方面進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證外摻氧化鎂在大體積混凝土中應(yīng)用，是否具有良好的力學(xué)性能、引入膨脹源長(zhǎng)期補(bǔ)償收縮、對(duì)水化熱的影響等，以其提高混凝土自身的抗裂能力和體積穩(wěn)定性效果，達(dá)到大體積混凝土防裂的目的。

2 外摻氧化鎂混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變、溫度監(jiān)測(cè)布置

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)在混凝土結(jié)構(gòu)厚度方向分為上中下3層布置，即厚度1.5m處、0.75m處、0m處，每層在長(zhǎng)度方向和寬度方向均布置有溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)。摻氧化鎂混凝土和常規(guī)普通混凝土中監(jiān)測(cè)儀器對(duì)應(yīng)布置，總計(jì)布置溫度傳感器17個(gè)(包括測(cè)試環(huán)境溫度1個(gè)，因應(yīng)變計(jì)同時(shí)可監(jiān)測(cè)溫度，所以重復(fù)布置的溫度點(diǎn)去掉)，應(yīng)變計(jì)12個(gè)。

圖1 監(jiān)測(cè)儀器布置

2.2 測(cè)試設(shè)備

溫度傳感器采用JDC-2混凝土測(cè)溫儀溫度計(jì)，主要用于測(cè)試混凝土各層溫度變化情況，采用溫度測(cè)試儀對(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。

應(yīng)變計(jì)采用SZY-15差阻式混凝土應(yīng)變計(jì)，其既能測(cè)試混凝土應(yīng)變，又能測(cè)試混凝土內(nèi)部溫度。

3 試驗(yàn)段混凝土配合比

3.1 外摻氧化鎂混凝土

試驗(yàn)采用佛光P·O42.5水泥、河砂與卵碎石粗骨料，摻30%粉煤灰，另外還外摻5%比例的MgO，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土，試驗(yàn)用配合比見表1。

表1 外摻氧化鎂混凝土配合比

3.2 常規(guī)普通混凝土

試驗(yàn)采用佛光P·O42.5水泥、卵碎石粗骨料、河砂與人工砂摻配比例為7∶3，摻30%粉煤灰，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土，試驗(yàn)用配合比見表2。

表2 常規(guī)普通混凝土配合比

3.3 試驗(yàn)段劃分與施工

犍為航電樞紐主體工程土建II標(biāo)安裝間及裝卸場(chǎng)混凝土工程1#安裝間底板混凝土作為外摻氧化鎂膨脹劑混凝土試驗(yàn)倉(cāng)位。

倉(cāng)位驗(yàn)收合格后，對(duì)該倉(cāng)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)儀器布設(shè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案見上述2.1。試驗(yàn)倉(cāng)位混凝土采用兩種混凝土進(jìn)行澆筑，下游側(cè)倉(cāng)位澆筑外摻氧化鎂膨脹劑混凝土325m3；上游側(cè)倉(cāng)位澆筑常態(tài)混凝土325m3。

4 結(jié)構(gòu)混凝土性能比對(duì)分析

4.1 混凝土力學(xué)性能

C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可見：外摻5%比例的MgO混凝土7d、28d、60d抗壓強(qiáng)度及28d劈拉強(qiáng)度均高于常規(guī)普通C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度。

表3 C25F50W6混凝土力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

4.2 混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)

4.2.1 理想條件下應(yīng)變

(1)參照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》混凝土自身體積變形試驗(yàn)方法，在不考慮混凝土內(nèi)外部影響因素條件下(選取混凝土線膨脹系數(shù)a=9×10-6/℃)，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土自身體積變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如下：

①未摻氧化鎂的普通混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d受混凝土水化熱影響，局部測(cè)點(diǎn)呈少量緩慢微膨脹階段后，進(jìn)入緩慢的收縮階段，80d后變形趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在-60με～20με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-70με～-5με之間；80d后自身體積變形大多維持在-100με～-5με之間。

②外摻5%比例的氧化鎂混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d微膨脹趨勢(shì)明顯，隨后呈緩慢收縮階段，80d后收縮趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在-10με～70με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-10με～50με之間；80d后的自身體積變形大多維持在-20με～40με之間。

③相比普通混凝土在順?biāo)鳌⑵叫袎屋S方向上，前20d補(bǔ)償收縮效果顯著，能提高30με～90με左右；20d到80d補(bǔ)償和收縮都呈緩慢遞減趨勢(shì)，但能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d；80d后補(bǔ)償和收縮都趨于平穩(wěn)。說明氧化鎂在混凝土中確實(shí)起到了膨脹。

(2)參照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》混凝土自身體積變形試驗(yàn)方法，在不考慮混凝土內(nèi)外部影響因素條件下(選取混凝土線膨脹系數(shù)a=8×10-6/℃)，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土自身體積變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如下：

①未摻氧化鎂的普通混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d受混凝土水化熱影響，局部測(cè)點(diǎn)呈少量緩慢微膨脹階段后，進(jìn)入緩慢的收縮階段，80d后變形趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在-60με～15με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-100με～-30με之間；80d后自身體積變形大多維持在-120με～-35με之間。

②外摻5%比例的氧化鎂混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d微膨脹趨勢(shì)明顯，隨后呈緩慢收縮趨勢(shì)，80d后收縮趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在20με～70με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-10με～25με之間；80d后自身體積變形大多維持在-20με～20με之間。

③相比普通混凝土在順?biāo)?、平行壩軸方向上，前20d補(bǔ)償收縮效果顯著，能提高20με～80με左右；20d到80d補(bǔ)償和收縮都呈緩慢遞減趨勢(shì)，但能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d；80d后補(bǔ)償和收縮都趨于平穩(wěn)。說明氧化鎂在混凝土中確實(shí)起到了膨脹。

(3)參照DL/T 5150-2017《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》混凝土自身體積變形試驗(yàn)方法，在不考慮混凝土內(nèi)外部影響因素條件下(選取混凝土線膨脹系數(shù)a=6×10-6/℃)，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土自身體積變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如下：

①未摻氧化鎂的普通混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d受混凝土水化熱影響，局部測(cè)點(diǎn)呈少量緩慢微膨脹階段后，進(jìn)入明顯持續(xù)的收縮階段，80d后變形趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在-70με～5με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-150με～-80με之間；80d后自身體積變形大多維持在-180με～-90με之間。

②外摻5%比例的氧化鎂混凝土自身體積變形，總體呈收縮趨勢(shì)，前20d微膨脹趨勢(shì)明顯，隨后呈明顯持續(xù)的收縮趨勢(shì)，80d后收縮趨于平穩(wěn)。前20d自身體積變形大多維持在-40με～40με之間；20d到80d的自身體積變形大多維持在-90με～-20με之間；80d后的自身體積變形大多維持在-110με～-30με之間。

③相比普通混凝土在順?biāo)?、平行壩軸方向上，前20d補(bǔ)償收縮效果顯著，能提高30με～70με左右；20d到80d補(bǔ)償和收縮都呈緩慢遞減趨勢(shì)，但能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d；80d后補(bǔ)償和收縮都趨于平穩(wěn)。說明氧化鎂在混凝土中確實(shí)起到了膨脹。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下應(yīng)變

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在不排除任何內(nèi)部外部影響因素條件下，C25F50W6強(qiáng)度等級(jí)混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為：

(1)未摻氧化鎂的普通混凝土應(yīng)變總體呈收縮趨勢(shì)，前10d受混凝土水化熱影響，局部測(cè)點(diǎn)呈少量緩慢微膨脹階段后，進(jìn)入持續(xù)明顯的收縮階段，90d后變形趨于平穩(wěn)。前10d自身體積變形大多維持在-20με～20με之間；10d到90d的自身體積變形大多維持在-300με～-200με之間；90d后自身體積變形大多維持在-330με～-230με之間。

(2)外摻5%比例的氧化鎂混凝土應(yīng)變總體呈收縮趨勢(shì)，前10d微膨脹趨勢(shì)明顯，隨后呈持續(xù)明顯的收縮趨勢(shì)，90d后收縮趨于平穩(wěn)。前10d混凝土應(yīng)變大多維持在-20με～20με之間；10d到90d的自身體積變形大多維持在-280με～-130με之間；90d后應(yīng)變大多維持在-300με～-150με之間。

(3)相比普通混凝土在順?biāo)鞣较蛏涎a(bǔ)償收縮效果不夠顯著，前10d相比普通混凝補(bǔ)償收縮下降-20με～-50με，隨后都呈持續(xù)明顯的收縮趨勢(shì)，90d后收縮趨于平穩(wěn)；在平行壩軸方向上，能提高20με～50με左右，隨后都呈持續(xù)明顯的收縮趨勢(shì)，90d后收縮趨于平穩(wěn)。

5 混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)

C25強(qiáng)度等級(jí)混凝土內(nèi)部溫度90d監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 普通混凝土溫度變化曲線

圖3 氧化鎂混凝土溫度變化曲線

(1)普通混凝土入模溫度26.5℃，內(nèi)部最高溫度42.7℃，在澆筑混凝土后60h取得，溫升值為16.2℃，升溫速率0.27℃/h，目前內(nèi)部溫度已趨于平穩(wěn)；

(2)氧化鎂混凝土入模溫度25.4℃，內(nèi)部最高溫度43.6℃，在澆筑混凝土后48h取得，溫升值為18.2℃，升溫速率0.38℃/h，目前內(nèi)部溫度已趨于平穩(wěn)；

(3)因?yàn)檠趸V是外摻的5%，氧化鎂水化會(huì)釋放一定的水化熱，導(dǎo)致混凝土溫升值升高約2℃，因混凝土溫度受外界環(huán)境影響較大，所以氧化鎂對(duì)混凝土水化熱幾乎沒有影響。

6 研究結(jié)論

(1)氧化鎂混凝土力學(xué)性能良好，相對(duì)普通混凝土略有提高；

(2)通過比對(duì)試驗(yàn)，排除內(nèi)外部影響因素，單從材料本身來講，氧化鎂在水工混凝土前20d中表現(xiàn)出明顯的膨脹和補(bǔ)償收縮的能力，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d，80d后趨于穩(wěn)定；在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境條件下，相比普通混凝土，前10d在平行壩軸方向上表現(xiàn)出明顯的膨脹和補(bǔ)償收縮的能力，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第90d，90d后趨于穩(wěn)定；但在順?biāo)鞣较蛏?，受外荷載作用，膨脹和補(bǔ)償收縮的能力較普通混凝土略有降低，隨后至90d趨于穩(wěn)定；

(3)只考慮自身體積變形：當(dāng)混凝土線膨脹系數(shù)取9×10-6/℃時(shí)，摻氧化鎂混凝土與普通混凝土補(bǔ)償收縮前20d可以提高30με～90με，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d，80d后趨于穩(wěn)定；當(dāng)混凝土線膨脹系數(shù)取8×10-6/℃時(shí)，摻氧化鎂混凝土與普通混凝土補(bǔ)償收縮前20d可以提高20με～80με，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d，80d后趨于穩(wěn)定；當(dāng)混凝土線膨脹系數(shù)取6×10-6/℃時(shí)，摻氧化鎂混凝土與普通混凝土補(bǔ)償收縮前20d補(bǔ)償收縮可以提高30με～70με，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第80d，80d后趨于穩(wěn)定；

(4)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件下，未考慮混凝土線膨脹系數(shù)等其他因素，摻氧化鎂混凝土與普通混凝土補(bǔ)償和收縮在平行壩軸方向，前10d可以提高20με～50με，隨后能夠保持這種抵抗收縮的優(yōu)勢(shì)至第90d，90d后趨于穩(wěn)定；受外荷載作用，在順?biāo)鞣较蛏吓蛎浐脱a(bǔ)償收縮的能力較普通混凝土降低-20με～-50με，隨后至90d趨于穩(wěn)定；

(5)外摻氧化鎂對(duì)混凝土的水化熱幾乎沒有產(chǎn)生影響。