掺入方式对MgO混凝土性能的影响

张守治，田倩，陆安群

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

掺入方式对MgO混凝土性能的影响

张守治，田倩，陆安群

（江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103）

研究了MgO内掺和外掺2种掺入方式对2种不同强度等级MgO混凝土新拌性能、力学性能和变形性能的影响规律。结果表明：轻烧MgO掺入方式对混凝土的新拌性能、力学性能和变形性能有一定影响，在满足MgO混凝土新拌性能和变形性能要求的前提下，基于混凝土力学性能进行配合比设计时，轻烧MgO在混凝土中的掺入方式应该选用外掺的方式。

掺入方式；MgO混凝土；新拌性能；力学性能；变形性能

混凝土大坝等大型水工建筑物体积庞大，受其自身和周围介质温度、湿度变化的影响以及基础和自身的约束作用，往往在不同部位产生很大的拉应力，极易产生裂缝。裂缝问题是影响工程结构质量和耐久性的关键因素之一，尤其是深层裂缝和贯穿性裂缝影响工程安全，缩短工程寿命[1]。利用膨胀组分在水化过程中产生体积膨胀来补偿混凝土收缩，是抑制混凝土收缩开裂的有效措施之一。MgO膨胀剂因其水化膨胀具有延迟性和不可逆性，能补偿混凝土的后期收缩等其它钙矾石膨胀剂未能具有的优点，而被国内外研究学者研究用来补偿大体积混凝土的温降收缩[2-3]。已有的研究表明[4-6]，利用MgO膨胀剂的延迟微膨胀特性，能够补偿大体积混凝土温降过程的体积收缩，缓解温控压力，简化温控措施，提高混凝土自身抗裂能力，达到经济、快速、优质建设混凝土大坝的目的，并据此发展了拥有自主知识产权的“MgO混凝土快速筑坝技术”。

经过30多年的试验研究和工程应用，学者们在MgO膨胀剂的制备、水化作用机理、砂浆与混凝土性能、工程应用、长龄期观测等方面取得了丰硕的成果[7-9]，然而对于MgO膨胀剂在混凝土中掺入时是否应该取代胶凝材料的研究还少见其文献报道。为了更全面地揭示MgO膨胀剂的掺入方式对MgO混凝土性能的影响规律，本文以C30和C50两种强度等级的混凝土为研究对象，根据轻烧MgO膨胀剂以内掺和外掺2种掺入方式在不同强度等级混凝土中的试验结果，对比分析了2种掺入方式对MgO混凝土新拌性能、力学性能和变形性能的影响规律，为广大工程技术人员在进行MgO混凝土配合比设计时提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·Ⅱ52.5级，江南小野田水泥公司生产；粉煤灰：Ⅰ级，南京华能电热厂生产；轻烧MgO膨胀剂（Undercalcined MgO Expansive Agent，UMEA）：江苏苏博特新材料股份有限公司生产，柠檬酸法[9]测其水化活性为100 s；PCA聚羧酸高性能减水剂、GYQ混凝土高效引气剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产；粗集料：5～20 mm连续级配的玄武岩碎石；细集料：细度模数为2.6的河砂。水泥、粉煤灰和轻烧MgO膨胀剂的化学成分见表1。

表1 水泥、粉煤灰和轻烧MgO膨胀剂的化学成分%

1.2 配合比

试验选取了2组不同强度等级的混凝土，强度等级设计值分别为C30和C50，水胶比分别为0.42、0.33，轻烧MgO膨胀剂以内掺（等质量取代胶凝材料）和外掺（不取代胶凝材料）2种方式掺入混凝土，掺量均为胶凝材料质量的5%，混凝土具体配合比见表2。

表2 混凝土具体配合比

1.3 试验方法

混凝土新拌性能按GB/T 50080—2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》中坍落度法进行测试。混凝土抗压强度和劈拉强度按GB/T 50081—2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，采用100 mm×100 mm×100 mm钢试模。混凝土变形特性试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》成型棱柱体试件，采用100 mm×100 mm×515 mm钢试模，标准养护（24±2）h后脱模，然后将试件分成2组，并分别养护于不同的环境条件下，以测试轻烧MgO膨胀剂对混凝土变形特性的影响。其中，第1组试件放置在（20±1）℃的水中养护至规定龄期并测试其水养膨胀率；第2组试件先用自粘性铝箔包裹密封后，放置在温度为（20±1）℃，相对湿度为（60±5）%的密封绝湿环境条件下养护至规定龄期测试其自身体积变形率。

2 试验结果及分析

2.1 轻烧MgO掺入方式对混凝土新拌性能的影响（见表3）

表3 轻烧MgO掺入方式对混凝土新拌性能的影响

从表3可以看出，基准混凝土初始坍落度均在170～200 mm，含气量为5%～6%。保持用水量不变的条件下，随着轻烧MgO的掺入，对混凝土含气量基本没有影响，但对混凝土坍落度有一定的影响，与内掺轻烧MgO混凝土相比，外掺轻烧MgO混凝土初始坍落度降低更明显。这主要因为外掺轻烧MgO时，增加了胶凝材料总量，降低了混凝土实际水胶比。通过调整减水剂掺量，可以使外掺轻烧MgO混凝土和内掺轻烧MgO混凝土初始坍落度均保持在170～200 mm，含气量控制在5%～6%。

2.2 轻烧MgO掺入方式对混凝土力学性能的影响（见表4）

表4 轻烧MgO掺入方式对混凝土力学性能的影响

从表4可以看出，2种强度等级基准混凝土28 d抗压强度均能达到设计指标；与不掺轻烧MgO的基准混凝土相比，当轻烧MgO以内掺的方式掺入混凝土时，略微降低混凝土抗压强度和劈拉强度；当轻烧MgO以外掺的方式掺入混凝土中时，无论在哪种强度等级下，均可在一定程度上提高混凝土抗压强度和劈拉强度。由此可以看出，轻烧MgO掺入方式对混凝土力学性能有一定的影响，基于混凝土力学性能进行配合比设计时，轻烧MgO在混凝土中的掺入方式应该选用不取代胶凝材料外掺的方式。

2.3 轻烧MgO掺入方式对混凝土变形性能的影响

在20℃水中养护和20℃密封绝湿养护条件下，轻烧MgO掺入方式对C30和C50混凝土膨胀变形特性的影响分别见图1和图2。

图1 20℃水养条件下轻烧MgO掺入方式对混凝土膨胀性能的影响

由图1可见，混凝土强度等级相同时，轻烧MgO掺入方式不同，其水养膨胀性能也有一定的差异，但差异不显著，总体而言，外掺轻烧MgO混凝土的膨胀率略大于内掺轻烧MgO混凝土的膨胀率；混凝土强度等级不同时，轻烧MgO在低强混凝土中的膨胀率大于在高强混凝土中的膨胀率，强度等级越低，轻烧MgO在混凝土中的膨胀率越大。产生这种现象的原因，笔者认为与混凝土的孔隙率有关，低强度等级混凝土的孔隙率相对较大、大孔含量较多，一方面有利于外界环境中自由水分向混凝土内部扩散，提高了基体吸水肿胀效益，另一方面低强度对MgO膨胀应力的限制约束能力相对较弱，有利于膨胀效应的发挥，从而导致轻烧MgO在C30混凝土中的水养膨胀率大于其在C50混凝土中的相应值。

图2 20℃密封绝湿条件下轻烧MgO掺入方式对混凝土膨胀性能的影响

由图2可见，无论是内掺还是外掺，轻烧MgO在2种不同强度等级混凝土中的自生体积变形曲线均表现出先收缩后膨胀的趋势。与轻烧MgO的水养膨胀性能类似，强度等级相同时，外掺轻烧MgO的自生体积变形值略大于内掺轻烧MgO，但差异不显著；强度等级不同时，强度等级越低，轻烧MgO的自生体积变形性能越大。在C30混凝土中，外掺轻烧MgO在33 d即能完全补偿混凝土自生收缩，开始产生自膨胀；在C50混凝土中，轻烧MgO在39 d测试龄期内不能完全补偿混凝土自生收缩，但与不掺轻烧MgO的基准混凝土相比，39 d时可减缩72.6%～75.9%。产生这种现象的原因，笔者认为混凝土强度等级低时，胶凝材料用量少、水胶比高，混凝土内部可供水化的自由水量相对较多，轻烧MgO水化和水泥水化对水分的竞争程度较弱，一方面基准混凝土自生收缩相对较小，另一方面水胶比相对较大，更利于轻烧MgO在缺水绝湿环境下的水化膨胀，对混凝土的自收缩补偿效果好；混凝土强度等级高时，胶凝材料用量多、水胶比低，混凝土内部可供水泥和MgO水化的自由水量相对较少，MgO水化和水泥水化对水分的竞争程度激烈，对于体系中有限的水分，一方面随着水泥水化的进行引起自干燥效应加剧，混凝土宏观自收缩变形增大，另一方面使轻烧MgO因缺少必要的自由水而使其膨胀效能无法正常发挥，从而导致轻烧MgO对混凝土的自收缩补偿效果较弱。

综合对比图1和图2中轻烧MgO的变形规律可以看出，轻烧MgO掺入方式对混凝土变形性能有一定的影响，但影响不显著，轻烧MgO在低强度等级混凝土中的膨胀变形相对大，在高强度等级混凝土中的膨胀变形相对较小。因此，基于混凝土体积稳定性进行混凝土配合比设计时，轻烧MgO在高强度等级混凝土中应用时可相应加大掺量，以提高收缩补偿效果。

3 结论

（1）无论以等质量取代胶凝材料的方式内掺，还是不取代胶凝材料以外加剂的形式外掺，轻烧MgO膨胀剂的掺入对混凝土含气量基本无影响，但对混凝土坍落度有一定的影响，与内掺相比，外掺的影响相对更明显。通过微调减水剂用量，可解决由轻烧MgO掺入导致的混凝土坍落度损失问题。

（2）无论在C30混凝土中，还是在C50混凝土中，轻烧MgO内掺对混凝土力学性能起负效应，轻烧MgO外掺对混凝土力学性能起正效应。

（3）无论是内掺还是外掺，掺入方式的改变对轻烧MgO在混凝土中的水养膨胀变形和自生体积变形无明显影响。

（4）轻烧MgO膨胀剂在实际工程中应用时，宜选用外掺形式进行MgO混凝土配合比设计。

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The influence of different doping modes on the performance of MgO concrete

ZHANG Shouzhi，TIAN Qian，LU Anqun
（Jiangsu Sobute New Materials Co.Ltd.，Nanjing 211103，China）

The investigation was launched on concrete workability，mechanical property and deformation property.When under calcined，two different strength grade MgO expansive agents（UMEA）was incorporated replacing part of cementitious materials and regarding as admixture respectively.The results show that，when the UMEA was incorporated concrete in a difference way，the concrete workability，mechanical property and deformation property had some differences.When the MgO concrete workability and deformation property were satisfied，the UMEA incorporated in concrete ways should be used as admixture for mix designs，which because its favorable mechanical properties.

doping mode，MgO concrete，workability，mechanical property，deformation property

TU528.042.4

A

1001-702X（2016）09-0022-03

江苏省科技计划项目（BM2014050）

2016-01-18；

2016-03-04

张守治，男，1982年生，安徽阜阳人，工程师。