外摻氧化鎂膨脹劑對(duì)水工混凝土安定性的影響研究

陳煥超，陳思堅(jiān)，薛喬文，肖棋琨，梁 東

(1．廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2．廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，廣州 510635)

1 概述

南水北調(diào)中線引江補(bǔ)漢、環(huán)北部灣廣東水資源配置等一大批重大水利工程的開工建設(shè)對(duì)我國相關(guān)流域區(qū)域的防洪安全、供水安全、生態(tài)安全具有非常大的戰(zhàn)略意義[1-4]。混凝土作為世界上用量最大的一種水硬性膠凝建筑材料，也在這些水利工程中得到了廣泛的使用[5-7]。但水工混凝土結(jié)構(gòu)自澆筑成型并處于服役周期，在其水化硬化以及養(yǎng)護(hù)的過程中，由于材料溫度的變化以及失水干燥等原因，會(huì)發(fā)生溫度收縮和干燥收縮[8-9]，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生收縮裂縫，嚴(yán)重影響到水工混凝土的使用和耐久性[10-13]。

為了解決水工混凝土開裂問題，目前國內(nèi)外研究者從材料、施工及設(shè)計(jì)角度提出改善水工混凝土開裂的一系列措施，其中在混凝土材料中摻入氧化鎂膨脹劑補(bǔ)償其自身的收縮是一種有效的防開裂措施[14-19]。氧化鎂膨脹劑的水化產(chǎn)物穩(wěn)定，具有延遲膨脹的特性[20-21]，利用其水化產(chǎn)生的化學(xué)能可使混凝土自身體積膨脹，也能產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力[22-23]，抵消溫度變化過程中的收縮應(yīng)力，其自身的膨脹性能也可根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)[24-25]，同時(shí)膨脹劑本身的膨脹速率和混凝土結(jié)構(gòu)收縮的速率相匹配，可有效補(bǔ)償混凝土后期的收縮，從而減少混凝土因收縮而產(chǎn)生的裂縫，提高其使用壽命和耐久性。張貞強(qiáng)等研究了氧化鎂膨脹劑的基本膨脹機(jī)理，結(jié)果表明，氧化鎂膨脹劑可以有效降低混凝土的孔隙率，改善其孔結(jié)構(gòu)并提高其密實(shí)度[26]；馮靜靜等對(duì)比了不同氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土早期裂縫自愈合性能的影響，結(jié)果表明，混凝土的限制膨脹率與氧化鎂膨脹劑的活性和摻量有關(guān)，氧化鎂膨脹劑對(duì)初始寬度為0.400 mm及以下的混凝土早期裂縫有較好的愈合效果[27]；徐月龍等通過試驗(yàn)研究了不同煅燒溫度所得氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土膨脹性能的影響，研究表明，煅燒溫度較高的膨脹劑早期膨脹速度較慢，后期膨脹效果好[28]。目前，關(guān)于氧化鎂膨脹劑的研究主要集中在自身特性以及對(duì)混凝土的膨脹性能影響等方面，氧化鎂膨脹劑對(duì)水工混凝土安定性能的影響評(píng)價(jià)相對(duì)較少。本文研究了不同摻量的氧化鎂膨脹劑對(duì)水工混凝土安定性能的影響，并通過混凝土的力學(xué)性能確定了膨脹劑的最佳摻量，在此基礎(chǔ)上探究了摻入氧化鎂膨脹劑對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，為氧化鎂膨脹劑實(shí)際應(yīng)用于水利工程提供參考。

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

氧化鎂膨脹劑由廣東巨三實(shí)業(yè)有限公司提供，主要由氧化鎂(MgO)、二氧化硅(SiO2)以及氧化鈣(CaO)組成，其各檢測參數(shù)見表1所示，均符合《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5296—2016)要求，膨脹劑加入時(shí)不計(jì)入膠凝材料中，作為外摻使用。制備混凝土所用水泥為廣東新南華有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥，粉煤灰為產(chǎn)自梅州嘉遠(yuǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，骨料為自產(chǎn)的人工骨料，減水劑和引氣劑為廣東強(qiáng)仕建材科技有限公司生產(chǎn)的FDN-440W型萘系緩凝高效減水劑以及JB-SJ1型引氣劑(氧化鎂膨脹劑檢測參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)見表1)。

表1 氧化鎂膨脹劑檢測參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)

2.2 試驗(yàn)方法

1)評(píng)價(jià)指標(biāo)

氧化鎂膨脹劑對(duì)水工混凝土安定性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)為混凝土膨脹率及其劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度之比。

混凝土膨脹率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

p——試件膨脹率；

Lt——齡期t天時(shí)試件所測量長度的讀數(shù)，mm；

L0——試件脫模后的初始長度讀數(shù)，mm；

Δ——所埋測頭的長度，mm。

2)測試方法

氧化鎂膨脹劑對(duì)水工混凝土安定性的影響研究根據(jù)《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5296—2016)中摻氧化鎂混凝土的安定性試驗(yàn)方法進(jìn)行測試，測試所需的混凝土規(guī)格為75 mm×75 mm×275 mm的棱柱狀試件以及100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，測試所用水工混凝土按強(qiáng)度等級(jí)分為C10和C20兩種，制備所用的配比見表2所示。

表2 混凝土所用配比

試件兩端需埋好測頭，棱柱狀試件脫模后立即測量其長度，作為混凝土試件的基準(zhǔn)長度，隨后將試件放回養(yǎng)護(hù)箱，按照混凝土的齡期依次取出并測量試件長度，同時(shí)測試試件以及基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。

混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)進(jìn)行，測試摻入氧化鎂膨脹劑的混凝土拌合物溫度，然后分兩層裝入到對(duì)應(yīng)的容器中并埋入測試裝置，隨后控制絕熱室內(nèi)溫度余試樣中心的溫度，使其保持一致，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求記錄測試數(shù)據(jù)，到28 d結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 混凝土膨脹率變化

摻入不同摻量氧化鎂的C10和C20混凝土膨脹率隨齡期的變化曲線如圖1和圖2所示。對(duì)比同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土膨脹率變化曲線，可以看出隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，其對(duì)應(yīng)齡期的膨脹率也逐漸增加，而對(duì)比不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土膨脹率變化曲線可以看出在氧化鎂摻量相同時(shí)，C20混凝土的最大膨脹率要高于C10混凝土的膨脹率，當(dāng)摻量為8%時(shí)，齡期為360 d的C10混凝土和C20混凝土膨脹率均為最大，膨脹率分別380×10-6和430×10-6，均小于600×10-6。說明隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，水工混凝土的安定性逐漸減弱，高強(qiáng)度等級(jí)的水工混凝土其安定性也會(huì)有所減弱，在這5種摻量范圍內(nèi)水工混凝土的安定性均滿足工程標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)定齡期內(nèi)未發(fā)生超量膨脹的現(xiàn)象，使用的氧化鎂膨脹劑具有良好的活性以及補(bǔ)償收縮性能。

圖1 不同氧化鎂摻量C10混凝土膨脹率隨齡期變化曲線示意

3.2 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度比變化

摻入氧化鎂膨脹劑混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比變化如圖3所示。在實(shí)際工程中混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比應(yīng)不小于0.85，由圖3可以看出摻入了氧化鎂膨脹劑的水工混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比均滿足實(shí)際工程的要求，同時(shí)對(duì)比不同等級(jí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比，可以看出膨脹劑摻量在6%時(shí)不同等級(jí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比未發(fā)生變化，說明摻量為6%時(shí)混凝土的安定性最為穩(wěn)定，為5種摻量中的最佳摻量。

圖3 摻入氧化鎂膨脹劑混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度之比示意

3.3 絕熱溫升變化

圖4為不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的絕熱溫升曲線，其中C10和C20混凝土的氧化鎂膨脹劑摻量均為6%。由圖4可以看出不同齡期下，C20混凝土的絕熱溫升值要相較C10混凝土略微增加約1℃～2.3℃，C20混凝土的絕熱溫升曲線與C10混凝土的絕熱溫升曲線除增加幅度外基本一致，說明氧化鎂膨脹劑與不同等級(jí)的混凝土均有良好的匹配性。此外，曲線趨勢的一致也證明了氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土具有非常好的分散性。

圖4 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土絕熱溫升曲線示意

4 結(jié)語

1)隨著氧化鎂摻量以及齡期的增加，混凝土的膨脹率逐漸增加，當(dāng)摻量為8%時(shí)，齡期為360 d的C10混凝土和C20混凝土膨脹率均為最大，膨脹率分別380×10-6和430×10-6。

2)氧化鎂膨脹劑摻量在6%時(shí)不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比未發(fā)生變化，劈裂抗拉強(qiáng)度比均為1.05，混凝土安定性最好，6%為氧化鎂膨脹劑的最佳摻量。

3)高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的絕熱溫升值要高于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土的絕熱溫升值，氧化鎂膨脹劑具有良好的分散性，與不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土配合比也有較好的匹配性。