外掺氧化镁混凝土自生体积变形影响因素的试验研究

黄寿良，杨富亮，马 芳

（中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

外掺氧化镁混凝土自生体积变形影响因素的试验研究

黄寿良，杨富亮，马 芳

（中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院，陕西 西安 710000）

通过长达6年龄期，对外掺氧化镁混凝土自生体积变形的观测，了解氧化镁掺量、粉煤灰掺量、水胶比和岩石种类对自生体积变形的影响。试验结果表明，混凝土自生体积变形随氧化镁掺量的增加而增大；随粉煤灰掺量的增加早期变形增大，后期降低；不同水胶比对自生体积变形的影响主要在早期，1年后变形基本相当；不同岩石种类对自生体积变形有显著的影响。为外掺氧化镁混凝土研究和应用提供参考。

自生体积变形；氧化镁；粉煤灰；掺量；水胶比；岩石种类

1 研究背景

混凝土坝的裂缝及其防治一直是水电工程界十分关注的重大技术问题。混凝土水化硬化过程中，强度的增长同时伴随着体积的收缩变形，由于混凝土自身抗拉强度较低，因而极易出现开裂现象［1］，不仅影响工程结构外观，而且影响建筑物的安全运行，尤其是那些危害性裂缝的出现，往往会影响到混凝土坝的使用寿命。为了补偿水工混凝土自身的收缩变形和温降过程中产生的体积收缩，在混凝土拌制过程中掺入一定量的轻烧氧化镁粉剂，利用特有的延迟微膨胀性能［2］，产生适度膨胀，在约束条件下，可在混凝土结构中形成一定的预压应力，一定程度上可消减混凝土在硬化和温降过程中产生的拉应力，从而提高混凝土的抗裂能力［3-4］。通过氧化镁掺量、粉煤灰掺量、水胶比和岩石种类，了解外掺氧化镁混凝土自生体积变形规律的影响。

2 试验原材料

2.1 水泥 试验采用水城和葛洲坝42.5中热水泥，比表面积分别为316m2/kg和319m2/kg，标准稠度用水量分别为25.8%和25.4%，安定性合格，强度满足国家标准要求。其主要化学成分见表1。

表1 水泥的主要化学成分（质量分数） （单位：%）

2.2 粉煤灰 试验采用宣威和黄桷庄粉煤灰，细度检测采用0.045 mm方孔筛，品质检测结果满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005的Ⅰ级粉煤灰技术要求。粉煤灰品质检测结果见表2。2.3 氧化镁 轻烧氧化镁的细度检测采用0.045mm方孔筛。氧化镁品质检测结果见表3。

2.4 骨料 氧化镁、粉煤灰掺量和不同水胶比试验采用灰岩人工砂，细度模数2.57，颗粒级配良好，饱和面干表观密度2.66 g/cm3；粗骨料为玄武岩人工骨料，小石（5～20mm）和中石（20～40mm）。岩石种类组合及粗细骨料24 h吸水率和线膨胀系数品质检测结果见表4。

表2 粉煤灰品质检测结果

表3 氧化镁品质检测结果

表4 岩石种类组合及粗细骨料24h吸水率和线膨胀系数品质检测结果

2.5 外加剂 试验采用ZB-1A萘系和JM-PCA聚羧酸系减水剂，ZB-1G和AIR202引气剂，品质均符合现行标准要求。

3 试验配合比及方法

3.1 配合比

3.1.1 常态混凝土 常态混凝土均采用水城42.5中热水泥、宣威Ⅰ级粉煤灰、第一批轻烧氧化镁，ZB-1A高效减水剂和AIR202引气剂。通过调整用水量和引气剂掺量，控制混凝土拌和物坍落度和含气量，坍落度为40～60mm，含气量为4.5%～5.5%，氧化镁掺量为水泥质量的百分比。

3.1.2 泵送混凝土 采用葛洲坝42.5中热水泥、黄桷庄Ⅰ级粉煤灰、第二批轻烧氧化镁，JM-PCA高性能减水剂和ZB-1G引气剂。固定用水量，通过调整减水剂和引气剂掺量，控制混凝土坍落度和含气量，坍落度为160～180 mm，含气量为4%～6%，氧化镁掺量为胶材总量的百分比。氧化镁掺量中固定用水量调整减水剂和引气剂掺量为泵送混凝土，其他均为常态混凝土，混凝土配合比参数见表5。

3.2 试验方法 依据《水工混凝土试验规程》DL/T5150-2001，进行混凝土自生体积变形试验。

3.3 试验条件 自生体积变形试件尺寸为φ200 mm×600 mm，试件中埋入DI-25型应变计；自生体积变形试件在密封的条件下，置于恒温（20±2℃）环境中养护、观测；采用SQ-5数字式电桥量测电阻和电阻比，计算混凝土的变形。

4 试验结果分析

4.1 氧化镁掺量 氧化镁掺量采用两种方法进行试验，一种方法通过固定减水剂掺量，调整用水量和引气剂掺量，控制混凝土拌和物坍落度和含气量；另一种方法通过固定用水量，调整减水剂和引气剂掺量，控制混凝土拌和物坍落度和含气量。

4.1.1 固定减水剂掺量调整用水量和引气剂掺量 氧化镁掺量混凝土自生体积变形试验结果见表6和图1。从表6和图1可以看出，混凝土自生体积变形随着氧化镁掺量的增加膨胀变形而增大。掺量2%和4%，混凝土自生体积变形规律为，膨胀→倒缩→回胀→稳定，7 d左右均由膨胀转为倒缩，28 d～60 d龄期继续呈收缩状态，60 d后均呈回胀趋势，1年后趋于稳定呈缓慢微膨胀增长趋势，6年龄期混凝土自生体积变形分别为19.3和60.5微应变。

表5 混凝土配合比参数

掺量6%和8%，混凝土自生体积变形始终呈微膨胀趋势，6年龄期膨胀变形高达106.4和175.6微应变，最终膨胀量和膨胀趋于稳定时间还有待跟踪验证。

通过长达6年外掺氧化镁混凝土自生体积变形的观测，掺量2%～4%可满足混凝土微膨胀要求，1年后呈缓慢微膨胀增长趋势，增长速度逐渐减缓，它既不会产生无限膨胀，又不会出现回缩现象，其长期膨胀变形能总是趋于稳定的，膨胀变形曲线亦比较理想［5］。

4.1.2 固定用水量调整减水剂和引气剂掺量 采用固定用水量，保持混凝土中水泥和粉煤灰用量一致，消除了由于水泥用量差异导致自身内含氧化镁波动而引起的试验偏差，从而保持混凝土中外掺氧化镁含量相对固定，增强了数据的可比性，自生体积变形试验结果见图2。从图2可以看出，随着氧化镁掺量递增，混凝土自生体积变形亦呈现膨胀变形而逐步递增，氧化镁掺量、混凝土自生体积变形和龄期有着一一对应的关系，膨胀变形规律明显优于固定减水剂掺量、调整用水量和引气剂掺量的试验方法。按照工程设计对混凝土膨胀量的要求，通过调整氧化镁掺量，控制混凝土的膨胀量，可满足工程运用。

表6 氧化镁掺量对混凝土自生体积变形试验结果

图1 氧化镁掺量对混凝土自生体积变形曲线

图2 氧化镁掺量对混凝土自生体积变形曲线

4.2 粉煤灰掺量 粉煤灰掺量对外掺氧化镁混凝土自生体积变形试验结果见表7和图3。从表7和图3可以看出，氧化镁掺量6%时，早期随着粉煤灰掺量的增加膨胀变形增大，后龄期则降低，掺量越大后龄期膨胀变形增长减缓愈早，掺量越小则减缓的龄期愈长。

6年龄期粉煤灰掺量20%比掺量0%氧化镁混凝土膨胀变形减小仅10微应变，掺量35%比掺量20%膨胀变形减小高达47.4微应变，掺量50%比掺量35%膨胀变形减小仅7.9微应变，可知粉煤灰掺量在35%左右为最佳掺量，可有效减缓氧化镁混凝土后龄期过度膨胀变形带来的不利影响。

表7 粉煤灰掺量对外掺氧化镁混凝土自生体积变形试验结果

早期由于粉煤灰的掺入降低了混凝土的收缩，且混凝土的弹性模量较低，降低了对氧化镁水化产生的膨胀变形的约束作用；后期随着养护龄期的延长，粉煤灰与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次水化反应，其水化产物使混凝土的强度和弹性模量逐渐提高，因而对氧化镁水化产生的膨胀应力的约束作用增大，使自生体积变形相应变小［6-7］。

4.3 水胶比 水胶比对氧化镁混凝土自生体积变形试验结果见表8和图4。从表8和图4可以看出，氧化镁掺量6%时，早期随水胶比的增大膨胀变形增大，60 d～3 a龄期水胶比0.49变形最大，3年后水胶比0.45变形最大，不同水胶比自生体积变形过程曲线基本一致。

图3 粉煤灰掺量对外掺氧化镁混凝土自生体积变形曲线

早期随水胶比的增大，降低氧化镁混凝土的强度和弹性模量，因此在相同的膨胀应力作用下变形增大［8-9］；当水胶比增大时，混凝土的孔隙率增大，有利于Mg（OH）2晶体的生成和结晶压力的增长，使自生体积变形增大［10］。

表8 水胶比对氧化镁混凝土自生体积变形试验结果

图4 水胶比对氧化镁混凝土自生体积变形过程曲线

4.4 岩石种类 由于混凝土配合比计算所用的粗细骨料均为饱和面干状态，从表5混凝土配合比参数可知，岩石种类及粗细骨料24h吸水率对混凝土单位用水量影响较小，粗细骨料均为玄武岩和灰岩用水量分别为113和114kg/m3，其他骨料组合的用水量均为115 kg/m3，试验结果见表9和图5。从表9和图5可以看出，岩石种类对氧化镁混凝土自生体积变形有显著的影响。玄武岩骨料各龄期混凝土自生体积膨胀变形均小于花岗岩、灰岩和白云岩+灰岩，6年龄期玄武岩比灰岩混凝土膨胀变形减缓46.5微应变，花岗岩各龄期自生体积变形均略低于灰岩，不同岩石混凝土自生体积变形从小到大排列玄武岩、花岗岩、灰岩、白云岩。

骨料所占混凝土中的比例为75%～85%，由于不同种类岩石形成过程不同，骨料长龄期吸水特性不同，引起混凝土自生体积变形收缩变形也不相同［11］。文献［12］给出花岗岩骨料长龄期吸水过程可以看出，细骨料1年时才基本趋于稳定，而粗骨料的吸水过程仍在继续，吸水率继续增加，不同种类岩石长龄期吸水趋于稳定时间和吸水量均存在差异，并且骨料长龄期吸水特性研究成果较少，表4粗细骨料的吸水率仅为24h，对自生体积变形的影响还有待进一步试验研究。由表4可知，不同骨料混凝土线膨胀系数也不同，除灰岩骨料外，混凝土自生体积变形随着线膨胀系数增大而增加。

表9 岩石种类对外掺氧化镁混凝土自生体积变形试验结果

图5 岩石种类对外掺氧化镁混凝土自生体积变形曲线

5 结论

（1）通过长达6年龄期自生体积变形的观测，氧化镁掺量以水泥质量百分比计，2%～4%可满足混凝土微膨胀要求，1年后呈缓慢微膨胀增长趋势，增长速度逐渐减缓，膨胀变形曲线亦比较理想的。只要掺量合理，既不会产生无限膨胀，又不会出现回缩现象，长期膨胀变形总是趋于稳定。（2）采用固定用水量调整减水剂和引气剂掺量，保持混凝土中水泥用量不变，即水泥自身内含氧化镁含量一致，保持混凝土外掺氧化镁含量的相对固定，混凝土自生体积变形膨胀变形规律明显优于固定减水剂掺量、调整用水量和引气剂掺量的试验方法。按照工程设计对混凝土膨胀量的要求，通过调整氧化镁掺量，控制混凝土的膨胀量，可满足工程运用。（3）早期随粉煤灰掺量的增加膨胀变形增大，后龄期则降低，掺量越大后龄期膨胀变形增长减缓愈早，掺量越小则变形增长减缓的龄期愈长，掺量在35%左右为最佳掺量，可有效减缓氧化镁混凝土后龄期过度膨胀变形带来的不利影响。（4）不同水胶比对氧化镁混凝土自生体积变形的影响主要在早龄期，1年后各龄期自生体积变形基本一致。（5）玄武岩骨料各龄期混凝土自生体积膨胀变形均小于花岗岩和灰岩，6年龄期玄武岩比灰岩混凝土膨胀变形减缓46.5微应变，充分说明岩石种类对氧化镁混凝土自生体积变形有显著的影响。

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［11］ 李家正，石妍，杨华全.骨料品种对混凝土体积变形特性的影响研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32（6）：16-19.

［12］ 汪澜.水泥混凝土组成、性能、应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2005.

Experimental study on the influence factors of autogenous volume deformation of concrete added Magnesium oxide

HUANG Shouliang，YANG Fuliang，MA Fang
（Investigation，Design&Research Institute of Sinohydro Bureau 3 Co.，LTD，Xi’an 710000，China）

In the observation of the autogenous volume deformation of concrete added Magnesium oxide in 6 years，the effect of Magnesium oxide content，fly ash content，water-cement ratio and rock type on the autogenous volume deformation was known.The experimental results show that the autogenous volume deformation of concrete increases with the increase of Magnesium oxide content；the early deformation increases and the late deformation reduces with the increase of fly ash content；the influence of different water-cement ratios on the autogenous volume deformation is chiefly in the early period，and the deformations are essentially the same 1 year later；the different rock types have significant influence on autogenous volume deformation.These provide reference for the research and application of concrete added Magnesium oxide.

autogenous volume deformation；magnesium oxide；fly ash；content；water-cement ratio；rock type

TV544.921

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.01.009

1672-3031（2016）01-0053-07

（责任编辑：祁 伟）

2015-04-13

黄寿良（1978-），男，福建邵武人，助理工程师，主要从事水工混凝土材料试验研究。E-mail：29836076@qq.com

杨富亮（1965-），男，河南滑县人，高级工程师，主要从事水工混凝土材料试验研究。E-mail：xld_yfl@163.com