外掺氧化镁膨胀剂对水工混凝土安定性的影响研究

陈焕超，陈思坚，薛乔文，肖棋琨，梁 东

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

1 概述

南水北调中线引江补汉、环北部湾广东水资源配置等一大批重大水利工程的开工建设对我国相关流域区域的防洪安全、供水安全、生态安全具有非常大的战略意义[1-4]。混凝土作为世界上用量最大的一种水硬性胶凝建筑材料，也在这些水利工程中得到了广泛的使用[5-7]。但水工混凝土结构自浇筑成型并处于服役周期，在其水化硬化以及养护的过程中，由于材料温度的变化以及失水干燥等原因，会发生温度收缩和干燥收缩[8-9]，在结构内部产生收缩裂缝，严重影响到水工混凝土的使用和耐久性[10-13]。

为了解决水工混凝土开裂问题，目前国内外研究者从材料、施工及设计角度提出改善水工混凝土开裂的一系列措施，其中在混凝土材料中掺入氧化镁膨胀剂补偿其自身的收缩是一种有效的防开裂措施[14-19]。氧化镁膨胀剂的水化产物稳定，具有延迟膨胀的特性[20-21]，利用其水化产生的化学能可使混凝土自身体积膨胀，也能产生预压应力[22-23]，抵消温度变化过程中的收缩应力，其自身的膨胀性能也可根据具体情况调节[24-25]，同时膨胀剂本身的膨胀速率和混凝土结构收缩的速率相匹配，可有效补偿混凝土后期的收缩，从而减少混凝土因收缩而产生的裂缝，提高其使用寿命和耐久性。张贞强等研究了氧化镁膨胀剂的基本膨胀机理，结果表明，氧化镁膨胀剂可以有效降低混凝土的孔隙率，改善其孔结构并提高其密实度[26]；冯静静等对比了不同氧化镁膨胀剂对混凝土早期裂缝自愈合性能的影响，结果表明，混凝土的限制膨胀率与氧化镁膨胀剂的活性和掺量有关，氧化镁膨胀剂对初始宽度为0.400 mm及以下的混凝土早期裂缝有较好的愈合效果[27]；徐月龙等通过试验研究了不同煅烧温度所得氧化镁膨胀剂对混凝土膨胀性能的影响，研究表明，煅烧温度较高的膨胀剂早期膨胀速度较慢，后期膨胀效果好[28]。目前，关于氧化镁膨胀剂的研究主要集中在自身特性以及对混凝土的膨胀性能影响等方面，氧化镁膨胀剂对水工混凝土安定性能的影响评价相对较少。本文研究了不同掺量的氧化镁膨胀剂对水工混凝土安定性能的影响，并通过混凝土的力学性能确定了膨胀剂的最佳掺量，在此基础上探究了掺入氧化镁膨胀剂对不同强度等级混凝土结构的影响，为氧化镁膨胀剂实际应用于水利工程提供参考。

2 原材料及试验方法

2.1 原材料

氧化镁膨胀剂由广东巨三实业有限公司提供，主要由氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)以及氧化钙(CaO)组成，其各检测参数见表1所示，均符合《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL/T 5296—2016)要求，膨胀剂加入时不计入胶凝材料中，作为外掺使用。制备混凝土所用水泥为广东新南华有限公司生产的P·O 42.5 水泥，粉煤灰为产自梅州嘉远的Ⅱ级粉煤灰，骨料为自产的人工骨料，减水剂和引气剂为广东强仕建材科技有限公司生产的FDN-440W型萘系缓凝高效减水剂以及JB-SJ1型引气剂(氧化镁膨胀剂检测参数及标准见表1)。

表1 氧化镁膨胀剂检测参数及标准

2.2 试验方法

1)评价指标

氧化镁膨胀剂对水工混凝土安定性能的评价指标为混凝土膨胀率及其劈裂抗拉强度与基准混凝土的劈裂抗拉强度之比。

混凝土膨胀率按式(1)计算：

(1)

式中：

p——试件膨胀率；

Lt——龄期t天时试件所测量长度的读数，mm；

L0——试件脱模后的初始长度读数，mm；

Δ——所埋测头的长度，mm。

2)测试方法

氧化镁膨胀剂对水工混凝土安定性的影响研究根据《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL/T 5296—2016)中掺氧化镁混凝土的安定性试验方法进行测试，测试所需的混凝土规格为75 mm×75 mm×275 mm的棱柱状试件以及100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，测试所用水工混凝土按强度等级分为C10和C20两种，制备所用的配比见表2所示。

表2 混凝土所用配比

试件两端需埋好测头，棱柱状试件脱模后立即测量其长度，作为混凝土试件的基准长度，随后将试件放回养护箱，按照混凝土的龄期依次取出并测量试件长度，同时测试试件以及基准混凝土的劈裂抗拉强度。

混凝土的绝热温升试验根据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)进行，测试掺入氧化镁膨胀剂的混凝土拌合物温度，然后分两层装入到对应的容器中并埋入测试装置，随后控制绝热室内温度余试样中心的温度，使其保持一致，根据标准要求记录测试数据，到28 d结束。

3 试验结果与讨论

3.1 混凝土膨胀率变化

掺入不同掺量氧化镁的C10和C20混凝土膨胀率随龄期的变化曲线如图1和图2所示。对比同一强度等级的混凝土膨胀率变化曲线，可以看出随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，其对应龄期的膨胀率也逐渐增加，而对比不同强度等级的混凝土膨胀率变化曲线可以看出在氧化镁掺量相同时，C20混凝土的最大膨胀率要高于C10混凝土的膨胀率，当掺量为8%时，龄期为360 d的C10混凝土和C20混凝土膨胀率均为最大，膨胀率分别380×10-6和430×10-6，均小于600×10-6。说明随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，水工混凝土的安定性逐渐减弱，高强度等级的水工混凝土其安定性也会有所减弱，在这5种掺量范围内水工混凝土的安定性均满足工程标准，在规定龄期内未发生超量膨胀的现象，使用的氧化镁膨胀剂具有良好的活性以及补偿收缩性能。

图1 不同氧化镁掺量C10混凝土膨胀率随龄期变化曲线示意

3.2 混凝土劈裂抗拉强度比变化

掺入氧化镁膨胀剂混凝土劈裂抗拉强度与基准混凝土的劈裂抗拉强度比变化如图3所示。在实际工程中混凝土的劈裂抗拉强度比应不小于0.85，由图3可以看出掺入了氧化镁膨胀剂的水工混凝土的劈裂抗拉强度比均满足实际工程的要求，同时对比不同等级混凝土的劈裂抗拉强度比，可以看出膨胀剂掺量在6%时不同等级混凝土的劈裂抗拉强度比未发生变化，说明掺量为6%时混凝土的安定性最为稳定，为5种掺量中的最佳掺量。

图3 掺入氧化镁膨胀剂混凝土劈裂抗拉强度与基准混凝土的劈裂抗拉强度之比示意

3.3 绝热温升变化

图4为不同强度等级混凝土的绝热温升曲线，其中C10和C20混凝土的氧化镁膨胀剂掺量均为6%。由图4可以看出不同龄期下，C20混凝土的绝热温升值要相较C10混凝土略微增加约1℃～2.3℃，C20混凝土的绝热温升曲线与C10混凝土的绝热温升曲线除增加幅度外基本一致，说明氧化镁膨胀剂与不同等级的混凝土均有良好的匹配性。此外，曲线趋势的一致也证明了氧化镁膨胀剂对混凝土具有非常好的分散性。

图4 不同强度等级混凝土绝热温升曲线示意

4 结语

1)随着氧化镁掺量以及龄期的增加，混凝土的膨胀率逐渐增加，当掺量为8%时，龄期为360 d的C10混凝土和C20混凝土膨胀率均为最大，膨胀率分别380×10-6和430×10-6。

2)氧化镁膨胀剂掺量在6%时不同强度等级混凝土的劈裂抗拉强度比未发生变化，劈裂抗拉强度比均为1.05，混凝土安定性最好，6%为氧化镁膨胀剂的最佳掺量。

3)高强度等级混凝土的绝热温升值要高于低强度等级混凝土的绝热温升值，氧化镁膨胀剂具有良好的分散性，与不同强度等级的混凝土配合比也有较好的匹配性。