鎂質(zhì)膨脹劑對(duì)混凝土工作性、強(qiáng)度、變形和耐久性影響研究＊

班勇婷 孫鈺秋 羅如意 師 通

（1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司，浙江 寧波 315101；2.中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430040；3.海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430040；4.中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040）

MgO 膨脹劑的研究最早開始于水工混凝土領(lǐng)域，20世紀(jì)70年代開始，我國(guó)科研人員運(yùn)用MgO延遲膨脹的特點(diǎn)，補(bǔ)償大體積混凝土溫降收縮，避免了大壩混凝土的開裂，有效控制了混凝土的應(yīng)變。基于此，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“氧化鎂混凝土快速筑壩技術(shù)”，這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際筑壩技術(shù)有重大創(chuàng)新和突破[1-3]。與傳統(tǒng)的膨脹劑相比，MgO膨脹劑具有以下優(yōu)點(diǎn)：不同活性值MgO 膨脹歷程和膨脹效能具有很明顯的差別，性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；水化產(chǎn)物Mg(OH)2溶解度極低，穩(wěn)定性好；MgO的水化反應(yīng)需水量較小。

MgO膨脹劑由最初用于補(bǔ)償溫降速率較慢的大壩混凝土溫降收縮，后開始不斷在水工大體積混凝土以外的工程中得到試應(yīng)用。氧化鎂應(yīng)用前景廣闊，但在推廣應(yīng)用時(shí)仍面臨一些問題[4]。主要表現(xiàn)在：MgO膨脹劑質(zhì)量控制較難，MgO 膨脹劑性能對(duì)煅燒工藝極為敏感，長(zhǎng)期以來，混凝土用MgO 膨脹劑缺乏專門的生產(chǎn)線，通常采取煅燒耐火材料或水泥用的立窯或回轉(zhuǎn)窯，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量難以控制，均勻性和穩(wěn)定性差；菱鎂礦資源相對(duì)稀缺，MgO膨脹劑由菱鎂礦煅燒制得，菱鎂礦主要分布于我國(guó)的遼東半島和膠東半島，高品位菱鎂礦主要分布在遼東半島，是國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)的稀缺資源。MgO 膨脹劑對(duì)應(yīng)用技術(shù)要求高，正是由于MgO 膨脹劑膨脹歷程的可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，也使得MgO 膨脹劑應(yīng)用技術(shù)變得更為重要，需要綜合考慮膨脹的可控性、有效性和安全性[5]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)原材料采用石門中熱水泥，華能Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度模數(shù)為2.6河砂，粒徑5mm～16mm連續(xù)級(jí)配的玄武巖碎石，骨料級(jí)配（小石：中石）=7:3，外摻減水劑（緩凝型）PCA-T2和引氣劑GYQ。

1.2 配合比及試驗(yàn)方法

參照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[6]，按照體積法進(jìn)行外摻MgO 混凝土配合比設(shè)計(jì)。為了對(duì)比研究輕燒MgO在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的工作性影響規(guī)律，水膠比分別選定為0.42、0.45、0.48 和0.51，砂率固定為33%，粉煤灰摻量固定為膠凝材料總量的25%，輕燒MgO 摻量固定為膠凝材料總量的5%?？刂苹炷涟韬臀锾涠?0mm～80mm，含氣量4.0%～6.0%。經(jīng)試拌水膠比為0.42的基準(zhǔn)混凝土要達(dá)到良好的坍落度和包裹性，膠凝材料用量為300kg/m3，單位用水量126kg/m3。表1 為四種不同水膠比條件下?lián)脚c不摻輕燒MgO膨脹劑的混凝土配合比。

表1 按體積法設(shè)計(jì)的混凝土配合比參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 外摻MgO混凝土工作性能

依據(jù)GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]按照表1給出的混凝土配合比參數(shù)，通過調(diào)整減水劑（緩凝型）和引氣劑摻量，使混凝土拌合物初始坍落度控制在60mm～80mm 之間，含氣量控制在4%～6%之間，摻與不摻輕燒MgO混凝土的拌合物性能見表2。

由表2 可知，輕燒MgO 摻入對(duì)混凝土坍落度影響較大，對(duì)含氣量影響較小。在保持相同用水量的前提下，為了使混凝土坍落度滿足設(shè)計(jì)要求，需適當(dāng)增加減水劑（緩凝型）摻量，并相應(yīng)使混凝土凝結(jié)時(shí)間略微延長(zhǎng)5h～12h；在相同水膠比時(shí)，為使混凝土含氣量滿足設(shè)計(jì)要求，無須另外增加引氣劑摻量。

2.2 MgO對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

力學(xué)性能可以宏觀反映混凝土微觀結(jié)構(gòu)，是衡量混凝土性能的重要指標(biāo)之一，其中量化混凝土力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)是強(qiáng)度。新拌MgO混凝土的含氣量控制在4%～6%，參照DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[8]，標(biāo)養(yǎng)48h后脫模放入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。

圖1（a）為不同活性反應(yīng)時(shí)間MgO膨脹劑對(duì)某C35混凝土（水膠比0.42）的抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律的試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，與不摻MgO的混凝土空白樣相比，20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)外摻5%50sMgO、5%100sMgO、5%150sMgO 三種的混凝土抗壓強(qiáng)度均有不同程度提升。以混凝土28d 抗壓強(qiáng)度為參考點(diǎn)，水膠比0.42 條件下，MgO 水化活性值越小對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果越明顯。5%MgO膨脹劑外摻時(shí)，三種活性反應(yīng)時(shí)間的MgO膨脹劑均對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)的正效應(yīng)，無影響強(qiáng)度的負(fù)效應(yīng)。

圖1 不同活性反應(yīng)時(shí)間、摻量MgO對(duì)混凝土對(duì)C35強(qiáng)度的影響

圖1（b）為不同摻量的外摻活性反應(yīng)時(shí)間100sMgO，水膠比0.45的某C35混凝土的抗壓強(qiáng)度。由圖可知，與不摻MgO的混凝土空白樣相比，以外加劑的形式不取代膠凝材料直接摻入4%～6%活性反應(yīng)時(shí)間100s 的MgO 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度有一定的提升效果，MgO摻量越高對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提升幅度越大?？梢姡?%摻量范圍內(nèi)，外摻MgO 對(duì)混凝土強(qiáng)度起增強(qiáng)正效應(yīng)。

2.3 MgO對(duì)混凝土變形的影響

在實(shí)際混凝土中，水泥水化放熱或者外界環(huán)境的變化使混凝土的溫度隨時(shí)間變化。因此，輕燒MgO 膨脹劑在恒溫體積下的自生體積變形不能與實(shí)際工程吻合。為了還原MgO 膨脹劑在實(shí)際工程應(yīng)用中的效果，試驗(yàn)澆筑成型為Φ150mm×500mm的混凝土圓柱體，將應(yīng)變計(jì)埋設(shè)與試件內(nèi)部，在環(huán)境試驗(yàn)箱中密封養(yǎng)護(hù)，環(huán)境試驗(yàn)箱的變溫歷程見圖2。

圖2 變溫養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度歷程

采用活性反應(yīng)時(shí)間為31s、138s和240s輕燒MgO等質(zhì)量取代膠凝材料總量的4%，水膠比固定為0.41，單位用水量124kg/m3，砂率33%，外摻35% I級(jí)粉煤灰?；炷恋淖陨w積變形見圖3。升溫階段，摻與不摻輕燒MgO 的混凝土均產(chǎn)生明顯的自生體積膨脹變形，但摻輕燒MgO 的混凝土產(chǎn)生的自生體積膨脹變形更大；降溫階段，摻與不摻輕燒MgO 的混凝土的自生體積變形均是收縮減小的，但摻輕燒MgO 的混凝土的自生體積收縮相對(duì)較小。

圖3 外摻MgO混凝土的自生體積變形（初凝為零點(diǎn)）

2.4 MgO對(duì)混凝土耐久性的影響

混凝土抵抗氣候作用、化學(xué)侵蝕、磨損或任何其他破壞過程的能力可以稱為混凝土的耐久性。耐久性優(yōu)異的混凝土暴露于使用環(huán)境時(shí)，會(huì)保持其原來的形狀、質(zhì)量，擁有極強(qiáng)的適用性。

圖4為MgO 活性反應(yīng)時(shí)間、摻量對(duì)外摻MgO 混凝土抗?jié)B性能的影響規(guī)律。與不摻MgO的基準(zhǔn)混凝土空白樣相比，摻入MgO 后混凝土的平均滲水高度均有不同程度的減小。當(dāng)MgO 摻量一定時(shí)，外摻5%100sMgO的混凝土滲水高度最小；當(dāng)MgO水化活性一定時(shí)，在0～6%摻量范圍內(nèi)，MgO摻量越大，混凝土滲水高度越小。可見，在6%摻量范圍內(nèi)，外摻MgO 可改善混凝土的抗水滲透性能。

3 結(jié)語

（1）MgO 膨脹劑摻入量為5%時(shí)，不同活性反應(yīng)時(shí)間的MgO 膨脹劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度皆具有增強(qiáng)效應(yīng)，其中活性反應(yīng)時(shí)間為50s時(shí)，性能最優(yōu)。

（2）活性反應(yīng)時(shí)間為100s時(shí)，不同摻量MgO膨脹劑對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度具有增強(qiáng)效應(yīng)，其中摻量為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高。

（3）相較于不摻輕燒MgO，摻輕燒MgO的混凝土升溫階段產(chǎn)生的自生體積膨脹變形更大，降溫階段，自生體積收縮相對(duì)較小。

（4）外摻MgO可改善混凝土的抗水滲透性能，在0～6%摻量范圍內(nèi)，混凝土滲水高度隨著MgO摻量增大而減小。