关于碾压混凝土中氧化镁均匀性试验方法的商榷

蔡杰龙，张君禄，蔡灿旭，王梓鑫，王立华

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心，广东 广州 510635；3.广东省水利重点科研基地，广东 广州 510635)

1 概述

水工混凝土坝具有建设周期长、投资大和温控措施复杂等特点，其坝体开裂问题成为水利工程长期关注与研究的焦点。采用外掺氧化镁(MgO)快速筑坝技术，是解决该难题行之有效的手段。近些年，国内已有40多个水利工程采用外掺轻烧MgO混凝土，如浙江石塘，四川铜街子，福建水口，贵州东风，索风营、沙老河，广东清溪和坝美等工程，其中有11座水利工程的大坝全坝段使用外掺MgO混凝土[1]，其在简化施工工艺、加快建设速度和控制坝体开裂等方面发挥着极其重要的作用，提高了社会与经济效益。

氧化镁膨胀剂具有延迟微膨胀的特性，其在水利工程碾压混凝土筑坝中发挥着不可替代的关键作用[2-3]。外掺氧化镁在碾压混凝土中的补偿收缩效果，除了与原材料基本性质(MgO有效含量、细度和活性反应时间等)有关外，主要与氧化镁膨胀剂掺量及其在碾压混凝土中的分布均匀性有关。适当的掺量及分布均匀性，可使碾压混凝土的自生体积变形更接近理想的延迟微膨胀曲线，从而达到良好的应力补偿效果[4]。目前，氧化镁膨胀剂(MgO有效含量按90%计)在碾压混凝土中的掺量范围普遍为2%～8%。在原材料性质稳定和掺量固定基础上，MgO在碾压混凝土中的分布均匀性成为决定其微膨胀补偿收缩效果的关键因素。因此，碾压混凝土中的均匀性评价方法在水工碾压混凝土筑坝技术中显得极为重要。然而，现行规范《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》DL/T 5296—2013(简称“技术规范”，下同)和《外掺氧化镁混凝土不分横缝拱坝技术导则》DB44/T 703—2010(简称“技术导则”，下同)等对于碾压混凝土中氧化镁均匀性试验的规定不够完善，包括试验步骤、结果计算和评价标准等，导致其在工程应用中存在诸多问题，这对于科学客观评价碾压混凝土中氧化镁膨胀剂是否均匀及碾压混凝土施工效果更是无从说起。鉴于此，本文主要提出一些现行规范中关于碾压混凝土中氧化镁均匀性的评价方法及其存在问题的思考，为外掺氧化镁快速筑坝技术提供重要的借鉴与参考。

2 问题的引出和阐述

2.1 外掺氧化镁掺量的定义

根据“技术规范”中2.0.2的规定，氧化镁掺量的定义为“掺入的氧化镁质量占胶凝材料质量的百分比”。即外掺时掺量按式(1)确定：

(1)

其中 MgO质量为掺入混凝土中的氧化镁膨胀剂(粉体)质量，总胶凝材料质量为碾压混凝土中水泥、粉煤灰等胶凝材料的总质量。

2.2 技术要求

根据“技术规范”中4.0.7的规定，掺氧化镁混凝土的均匀性应严格控制，试验方法见附录C；样品中的氧化镁含量检测参照GB/T 176进行。其中，氧化镁均匀性结果评定为“抽取测点不少于10个，氧化镁含量测值的离差系数应不大于0.10%，表示氧化镁在混凝土中的均匀性好”。

根据“技术导则”中7.3的规定，应对拌和系统、拌和工艺和连续施工过程制定有针对性的质量保证措施，确保MgO混凝土的均匀密实。其中，“7.3.4施工过程控制”规定，施工过程应加强对MgO的均匀性检测，包括机口检测和仓面检测；MgO混凝土均匀性检测宜采用小样品化学法进行。

根据《氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定》中第6节的规定，外掺MgO混凝土施工，必须严格控制其安定性和均匀性；混凝土中MgO含量宜采用化学法检验；评定施工中MgO含量均匀性，应以拌合机口随机检验为准。另外，本规定中还提出了MgO含量施工均匀性的评价指标，根据混凝土标号不同，分为“优秀、良好、一般和较差”4个等级。

2.3 试验方法执行标准

根据“技术规范”附录C的规定，混凝土中氧化镁的均匀性试验方法包括流态法和固态法两种，其中流态法试样为湿筛水泥砂浆样品；固态法为已终凝干硬的水泥砂浆样品。两种方法中的氧化镁含量测定均根据GB/T 176中氧化镁快速测定方法进行测定。

根据“技术导则”中条文说明7.3.4的规定，MgO含量采用湿筛小样品化学法测定，试验步骤与“技术规范”的基本一致。

2.4 试验内容探析

本文利用当前国内某在建水利工程中碾压混凝土中氧化镁均匀性试验的数据对其存在的问题进行简要探讨。

1) 碾压混凝土配合比

本工程中外掺氧化镁设计掺量为6.5%，采用的碾压混凝土配合比如表1所示，其中河砂为天然河砂，粉煤灰一部分做掺合料使用，一部分代替人工砂中的细粉部分。

表1 碾压混凝土配合比

2) 试验结果

本次根据“技术规范”附录C中固态法分批多次进行试验，试验结果如表2所示。

表2 碾压混凝土中氧化镁的均匀性试验结果统计

根据以上试验数据(8批次共556个样品)可知，固态法测得的氧化镁含量范围为2.41%～4.10%，平均值范围为3.07%～3.31%，离差系数范围为0.10～0.14。其中，氧化镁含量与原设计掺量(6.5%)对比相差较大。

2.5 问题的阐述与思考

根据以上试验结果，结合目前规范中关于MgO掺量、相关技术要求和试验方法的规定，本文特提出如下问题以供商榷。

1) 本次试验参照“技术规范”中的固态法进行。根据规范中规定，试验直接将终凝的干硬的水泥砂浆试样进行研磨至全部通过孔径为0.08 mm的筛，并经过一系列溶解步骤处理后进行滴定。在试验过程中，规范中并未规定如何扣除砂的部分，导致试验中用于滴定的试样包括砂浆中的砂，因此，氧化镁含量测定结果偏小，且与原设计掺量相差较大。

2) 氧化镁设计掺量按公式(1)进行计算，其中氧化镁质量为掺入混凝土中的氧化镁膨胀剂(粉体)的质量，而根据试验滴定过程可知，经化学分析滴定的氧化镁含量实则为氧化镁的有效含量，且不仅包括氧化镁膨胀剂中的MgO有效含量，还包括其它粉体材料中含有的MgO有效含量。本试验方法中，用于滴定的试验质量为碾压混凝土中所有能通过0.08 mm筛的粉体质量，包括胶凝材料(水泥和粉煤灰等)、水泥砂浆中被磨细的河砂、河砂与碎石中的含泥部分、粉煤灰代砂部分和氧化镁粉体等，这与设计掺量中的“分母”总胶凝材料质量不相一致。因此，试验结果与设计掺量相差较大。

3) 本次氧化镁含量实测离差系数范围为0.10～0.14，根据《氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定》中表6-1关于均匀性指标的规定，试验结果可评为优秀。而根据“技术规范”中氧化镁均匀性试验结果评定标准“离差系数不大于0.10%，表示均匀性良好”的规定，本文试验结果存在两个数量级的差异，实际上该评定标准在施工质量过程控制中几乎无法实现。

4) “技术规范”中的流态法规定，利用蒸馏水冲洗使现场取回的潮湿状态下的水泥砂浆完全通过0.08 mm的湿筛，其中冲洗水的加入使水泥砂浆中的胶凝材料和砂浆成分质量均发生了变化，导致无法准确计算水泥砂浆中胶凝材料部分的质量，而规范中未说明如何处理并计算“分母值”总胶凝材料的质量，试验完成氧化镁含量只能以水泥砂浆的质量作为分母值进行计算，试验结果必然偏小，且无法与原设计掺量进行对比。

3 问题解决思路与方案

针对现行规范中存在的问题，本文特提出两种解决思路，具体实验方案如下。

3.1 标准曲线法

本试验方法步骤分为两步：① 根据现场碾压混凝土配合比选取工程所用原材料并充分拌和，通过室内试验制定不同氧化镁掺量下(氧化镁掺量为设置为0%、2%、4%、6%、8%和10%)EDTA标准溶液消耗量的标准曲线，其中试验样品需经过蒸馏水稀释、盐酸分解、氨水分离和静置沉淀等试验步骤处理，然后测定样品中氧化镁的含量；② 于机口或仓面取回碾压混凝土样品，样品的试验处理与滴定过程同①，最终利用实际测值与标准曲线计算现场碾压混凝土实际氧化镁的掺量和均匀性。

3.2 流态烘干法

在机口或仓面取回碾压混凝土样品，抽取水泥砂浆，水洗、过筛(0.08 mm)，用加热电炉煮沸并烧至粉体状态，并在100±5℃的烘箱中烘干，烘干后在玛瑙研钵中适当研磨成粉末，并称取一定数量的粉末样品进行试验，试验样品需经过蒸馏水稀释、盐酸与硝酸分解和静置沉淀等试验步骤处理，然后测定样品中氧化镁的含量。其中样品的烘干处理，可避免水冲洗对水泥砂浆样品浓度的稀释和成分质量的干扰，便于后期氧化镁掺量的计算。

4 新方法效果的验证

4.1 标准曲线法

参照3.1节中第①点所述步骤制定的标准曲线如图1所示。

图1 不同氧化镁设计掺量下EDTA二钠消耗量标准曲线示意

根据实验数据计算，不同氧化镁设计掺量与EDTA二钠标准溶液消耗量关系式为：

y=1.17x+2.29

(2)

其中x为设计掺量，y为EDTA二钠标准溶液消耗量。

本次按照“均匀布置、多点取样”原则于工程现场仓面上抽取20个碾压混凝土代表性样品进行试验，氧化镁设计掺量为6.5%，具体试验结果如表3所示。

表3 标准曲线法氧化镁掺量实验结果

根据实验结果可知，氧化镁实测掺量范围为5.82%～7.27%，与设计掺量较为一致。同时，实验数据的计算过程可大大简化，相比较于原“技术规范”中步骤更为简便快捷，也便于统计分析氧化镁的均匀性。

4.2 流态烘干法

参照3.1节中第②点所述步骤，按照“均匀布置、多点取样”原则于工程现场仓面上抽取20个碾压混凝土代表性样品进行试验，氧化镁设计掺量为6.5%，具体试验结果如表4所示。

表4 流态烘干法氧化镁掺量实验结果

根据实验结果可知，氧化镁实测掺量范围为5.56%～7.15%，与设计掺量较为一致。同时，实验结果计算中的分母值为通过0.08 mm筛中的粉体质量，便于氧化镁掺量结果的计算，也便于统计分析氧化镁的均匀性。

4.3 新方法总结

经以上试验结果计算可知，标准曲线法和流态烘干法均能科学、合理、准确测得氧化镁的掺量，与原氧化镁设计掺量保持一致。同时，试验步骤清楚明确，试验结果计算大大简化，能够客观地评价碾压混凝土氧化镁的均匀性，可为完善现行规范与工程施工质量评价提供重要参考依据。

另外，“技术规范”中的固态法虽可客观反映氧化镁的均匀性，但因研磨时引入砂导致氧化镁实测掺量与设计掺量相差较大。鉴于此，本文建议引入修正系数，该修正系数由砂浆中的胶凝材料用量、砂用量和胶砂比决定，系数需通过设计不同碾压混凝土配合比试验确定，从而使实测结果与原设计掺量保持一致。

5 结语

水工碾压混凝土中外掺氧化镁的均匀性评价，对碾压混凝土筑坝技术的应用极为重要。本文通过某工程实际试验数据，提出现行规范中试验方法存在的一些问题，包括试验步骤、结果计算和结果评价等，并针对性提出了两种解决方法，包括标准曲线法和流态烘干法，并通过实验结果验证了两种新方法的可行性，可为完善现行规范与工程施工质量评价提供重要参考依据。