长龄期外掺氧化镁混凝土自生体积变形分析

陈昌礼，赵振华，李维维，李良川

（1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025）

长龄期外掺氧化镁混凝土自生体积变形分析

陈昌礼1，赵振华1，李维维1，李良川2

（1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025）

为进一步促进外掺MgO混凝土的研究与应用，分析了是否使用湿筛方法筛除粒径大于40 mm粗骨料对龄期长达1 400 d的标准尺寸和非标准尺寸的外掺MgO混凝土自生体积变形的影响。结果表明，在相同MgO掺量下，不管龄期长短，湿筛后混凝土试件的自生体积变形均大于未湿筛的混凝土，且湿筛后非标准尺寸混凝土试件的自生体积变形增量小于标准尺寸试件（标准尺寸试件增大15×10－6左右，非标准尺寸试件增大12×10－6左右）；不管试件尺寸标准与否，湿筛与未湿筛混凝土试件的自生体积变形差值相对稳定，随龄期的波动不大，尤其是3年以上龄期的波动更小。

MgO混凝土；自生体积变形；试件尺寸；湿筛；长龄期

陈昌礼，赵振华，李维维，等.长龄期外掺氧化镁混凝土自生体积变形分析［J］.水利水运工程学报，2015（5）：54－59.（CHEN Chang⁃li，ZHAO Zhen⁃hua，LIWei⁃wei，et al.Analysis of autogenic volume deformation of MgO concrete at long age［J］. Hydro⁃Science and Engineering，2015（5）：54－59.）

迄今为止，外掺氧化镁（MgO）混凝土筑坝技术已应用于我国50多个水利水电工程［1］。工程实践表明，外掺MgO混凝土呈现良好的延迟微膨胀性能，但实际膨胀量未达到设计所需的膨胀量［2－3］。大量试验研究表明，外掺MgO混凝土的膨胀量，除受MgO掺量影响外，还同混合材料的种类与掺量、环境温度等诸多因素有关［1］。因此，在MgO应用于实际工程之前，一定要在室内进行外掺MgO混凝土的自生体积变形试验。

室内进行混凝土的自生体积变形试验时，按照规范［4－5］要求，先将混凝土拌合物中粒径大于40 mm的骨料筛除（以下简称“湿筛”），然后将筛除大骨料后的混凝土分3层装于直径20 mm，高度500～600 mm用镀锌板或橡胶板制作的试件桶内，同时在试件中心位置埋入供量测混凝土自生体积变形数值使用的电阻应变计，在混凝土振捣密实后立即密封试件桶，然后按照规定频率测试混凝土的自生体积变形1年。朱伯芳［6］院士指出，现场混凝土含有大骨料，水泥用量和MgO含量相对较少，而室内试件经过湿筛，剔除了大骨料，单位体积混凝土内MgO含量较高，因此实际工程的自生体积变形将小于室内试验值。但湿筛与否究竟对混凝土的自生体积变形存在多大影响，尤其是对龄期1年以上的混凝土的自生体积变形存在多大影响，至今未见相关报道。为此，本文研究了是否使用湿筛方法筛除粒径大于40 mm骨料对龄期长达1 400 d的外掺MgO混凝土自生体积变形的影响，旨在促进外掺MgO混凝土的深入研究和推广应用。

1 试验条件

1.1 原材料

（1）水泥。试验采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为319 m2／kg，标准稠度用水量为26.2%，安定性合格，主要化学成分见表1。

表1 P.O 42.5普通硅酸盐水泥的主要化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of ordinary Portland cement（mass percentage） %

（2）骨料。试验使用的骨料为贵州某水电站工地的灰岩人工砂和碎石。人工砂的细度模数为2.43，属中砂，颗粒级配属于第Ⅱ区，级配良好；粗骨料由工地加工成小石（5～20 mm）、中石（20～40 mm）、大石（40～80 mm）3级。骨料质量满足《水工混凝土施工规范（DL／T 5144—2001）》的要求。

（3）MgO。试验所用的MgO为辽宁海城东方滑镁公司生产的轻烧MgO，活性指数为219 s，细度为26.8%（0.045 mm筛的筛余），密度为3.394 g／cm3，其主要化学成分为：MgO（质量分数90.15%），SiO2（2.04%），Al2O3（0.37%），Fe2O3（0.46%），CaO（1.30%），SO3（0.10%），烧失量为5.46%。

（4）外加剂。使用奈系高效减水剂，其品质符合现行标准要求。

1.2 混凝土配合比

试验用混凝土配合比见表2。其中，MgO的外掺量按占水泥用量的百分数计，混凝土坍落度控制在70～90 mm的范围。

表2 试验用混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete for tests

1.3 试件尺寸及成型

为便于研究是否使用湿筛方法筛除混凝土拌合物中粒径大于40 mm的大骨料对混凝土自生体积变形的影响，本试验设计了两种尺寸的混凝土试件：一种是标准尺寸，即现行《水工混凝土试验规程》规定的试件尺寸，直径200 mm，高500 mm，记为AB40组试件；另一种为非标准尺寸，直径250 mm，高500 mm，记为AB400组试件。成型混凝土试件时，均按照试验规程，分3层装入混凝土拌合物，并在混凝土中预埋DI－25型电阻应变计（应变计垂直固定在用镀锌板制作的试件桶中心位置），同时将混凝土振捣密实。然后，将试件密封后放置于温度为（20±2）℃的环境中养护，并按照试验规程规定的时间、频率量测应变计的电阻及电阻比，再按照规程规定的方法将这些电阻及电阻比换算为试件的自生体积变形。

2 试验结果及其分析

2.1 对标准和非标准尺寸试件自生体积变形的影响

以标准尺寸（Φ200×500 mm）的AB40混凝土试件的自生体积变形为例，是否使用湿筛方法成型的混凝土试件的长期自生体积变形及其典型龄期的测值分别见图1和表3。

以非标准尺寸（Φ250×500mm）的AB400混凝土试件的自生体积变形为例，是否使用湿筛方法成型的混凝土试件的长期自生体积变形及其典型龄期的测值分别见图2和表4。

表3 AB40混凝土典型龄期自生体积变形测值Tab.3 Mearsured values of autogenic volume change of AB40 concrete at typical age 10－6

图1 AB40混凝土的长龄期自生体积变形过程曲线Fig.1 Autogenic volume change curves of AB40 concrete through long age

图2 AB400混凝土长龄期自生体积变形过程曲线Fig.2 Autogenic volume change curves of AB400 concrete through long age

表4 AB400混凝土典型龄期的自生体积变形测值Tab.4 Mearsured values of autogenic volume change of AB400 concrete at typical age 10－6

2.2 湿筛后标准与非标准尺寸混凝土试件掺MgO引起的自生体积变形

从表3和4可见，不管是标准试件，还是非标准试件，掺MgO混凝土试件的自生体积变形值减去对应的未掺MgO混凝土试件的自生体积变形值的差值均为正值，该值体现了混凝土因掺入MgO而引起的自生体积膨胀量。图3绘制了湿筛后标准尺寸和非标准尺寸的 MgO混凝土试件的自生体积膨胀变形过程线。

2.3 试验结果分析

2.3.1 掺与不掺MgO的混凝土自生体积变形情况从图1的标准试件、图2的非标准试件所反映的结果看，不掺MgO的混凝土的自生体积变形均呈收缩状态，但图1后期的趋于稳定的收缩量比图2大。图1、图2分别使用的是第1批、第2批P.O 42.5水泥，对应的MgO含量的平均检测结果为1.38%和2.47%。袁美栖等［7－8］指出，水泥自身所含的、低于1.8%～2.0%的MgO固溶在熟料的矿物相中，不会使水泥硬化浆体产生膨胀，而当MgO含量较多时，就会形成水化缓慢的方镁石晶体，在水泥浆体硬化后生成Mg（OH）2，造成水泥硬化浆体的体积膨胀。所以，图1所用水泥的MgO含量比图2少，造成了图1的不掺MgO混凝土的自生体积收缩变形比图2多。也正是这样的原因，造成相同的MgO外掺量引起的混凝土膨胀量补偿收缩量后的宏观效果不同，即图1呈现收缩状态，图2呈现膨胀状态。并且，从图3看出，不管是标准试件，还是非标准试件，掺MgO与对应的不掺MgO混凝土试件的自生体积变形的差值为正增量，并随龄期的增长呈微膨胀状态。即虽然图1、图2中掺MgO混凝土自生体积变形的宏观效果不同，但外掺MgO混凝土的微膨胀特性仍然客观存在，不会因试件尺寸的改变而改变。

从图3还看出，虽然都外掺5%的MgO，但非标准试件因掺MgO引起的混凝土自生体积膨胀量比标准试件增大约8×10－6～12×10－6。这主要由二者水灰比的差异造成。AB40和AB400组试件的水灰比分别为0.45和0.50。李维维等［9］指出，掺MgO混凝土的自生体积膨胀量随水灰比的增大而增大。

图3 掺MgO引起的混凝土自生体积膨胀量随龄期的变化Fig.3 Curves of concrete's autogenic volume expansion with age after admixing MgO

另外，从图1～3中可见，外掺MgO混凝土的初期膨胀反应明显，与以往的延迟性微膨胀存在差异［1，3，6］。这是由于早期恒温室的温控效果不理想所致。试件成型时正值暑期，气温高达（28～34）℃左右，而当时扩建的、用于存放试件的恒温室的隔热性差，造成温控效果不理想。李红彦［10］指出，MgO混凝土的自生体积膨胀量随环境温度的增高而增大。后期将试件转到原温控效果好的恒温室后，自生体积变形的波幅明显变小。

2.3.2 湿筛与未湿筛的MgO混凝土自生体积变形比较 分析图1和表3、图2和表4可知，无论是标准尺寸试件，还是非标准尺寸试件，在相同MgO掺量、相同水灰比情况下，使用湿筛方法成型的混凝土试件的长龄期自生体积变形，均大于未湿筛混凝土的长龄期自生体积变形，且湿筛和未湿筛的掺MgO混凝土的自生体积变形均大于未掺MgO的混凝土，这与是否湿筛对混凝土短龄期自生体积变形的影响结果一致［11－12］。对于标准尺寸试件的混凝土自生体积变形，在1年龄期内和1年以上龄期，湿筛比未湿筛分别增大约11.2× 10－6～22.4×10－6（平均增加15.27×10－6）和14.21×10－6～17.49×10－6（平均增加15.71×10－6）；对于非标准尺寸试件的混凝土自生体积变形，在1年龄期内和1年以上龄期，湿筛比未湿筛分别增大约10.42×10－6～14.99×10－6（平均增加12.44×10－6）和10.74×10－6～12.97×10－6（平均增加11.92×10－6）。总体而言，在相同MgO掺量下，不管是在1年龄期内，还是1年以上龄期，湿筛后非标准尺寸混凝土试件的自生体积变形增量小于标准尺寸试件；不管是标准尺寸还是非标准尺寸试件，湿筛与未湿筛混凝土试件的自生体积变形差值相对稳定，随龄期的波动不大，尤其是3年以上龄期的波动更小。

若忽略混凝土试件成型时湿筛筛除的粒径大于40 mm骨料所黏附灰浆量的影响，则标准尺寸的AB40原状三级配混凝土和湿筛后混凝土的胶骨质量比（胶凝材料／骨料）分别为0.15和0.18，非标准尺寸的AB400原状三级配混凝土和湿筛后混凝土的胶骨质量比分别为0.13和0.16，即湿筛后标准尺寸和非标准尺寸混凝土试件的胶骨质量比分别增大20%和23%。而外掺MgO混凝土中MgO的外掺量是按胶凝材料总量的百分比计算，外掺MgO混凝土的自生体积变形随MgO含量的增大而增大［3，10，13］，所以使用湿筛方法成型的MgO混凝土自生体积变形试件，其自生体积变形测值被人为地增大了。

3 结 语

按照现行《水工混凝土试验规程》，使用湿筛方法筛除混凝土拌和物中粒径大于40 mm骨料后的混凝土成型自生体积变形试件，基于本试验的试件尺寸和1 400 d左右的观测龄期，在相同MgO掺量下，无论龄期长短，也不管试件尺寸标准与否，其混凝土自生体积变形的微膨胀特性没有改变，但测值均比未湿筛的混凝土（即原级配混凝土）增大（标准尺寸试件增大15×10－6左右，非标准尺寸试件增大12×10－6左右），且增量随龄期的波动不大（尤其是3年以上龄期的波动更小）。对于采用外掺MgO混凝土筑坝技术的大型工程和重要工程，建议增加使用原级配混凝土制作尺寸为Φ250×500 mm的非标准试件的自生体积变形试验，以深入了解掺MgO混凝土的自生体积变形，使坝体温控设计更有效、更经济。

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Analysis of autogenic volume deformation of M gO concrete at long age

CHEN Chang⁃li1，ZHAO Zhen⁃hua1，LIWei⁃wei1，LILiang⁃chuan2
（1．School of Materials and Architecture Engineering，Guizhou Normal University，Guiyang 550025，China；2．School ofCivil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China）

In order to improve studies and application of concrete with light⁃burned magnesium oxide（MgO concrete），the effect of aggregateswith particle size larger than 40mm on the autogenic volume deformation of both standard and non⁃standard size specimen of MgO concrete of the age as long as 1 400 days is analysed in this paper.The analysis results show that the autogenic volume deformation of the concrete specimen which has been wet⁃screened is larger than the specimen withoutwet⁃screening nomatter how long the age is，and the increment of the autogenic volume deformation of the wet⁃screened non⁃standard specimen is smaller than that of the standard specimen（the incrementof the standard specimen is about15×10－6while thatof the non⁃standard specimen is about 12×10－6）；and the differences of the autogenic volume deformation of the specimen whetherwet⁃screened or notare relatively stable and the fluctuating valuewith age is small，and is especially tinywhen the age is beyond 3 years no matter the specimen's size is of the standard or not.

concrete with light⁃burned magnesium oxide（MgO concrete）；autogenic volume deformatin of concrete；concrete specimen size；wet screening；long age

TV431

A

1009－640X（2015）05－0054－06

10.16198／j.cnki.1009－640X.2015.05.007

2014－12－23

国家自然科学基金资助项目（51269003，50969002）；贵州省“125”重大科技专项（黔教合重大专项字［2012］004号）

陈昌礼（1966—），男，贵州正安人，教授，主要从事水工材料的研究与教学。E⁃mail：ccl＠gznu.edu.cn