掺氧化镁抗裂剂的海工大体积混凝土的配制及应用

余以明，徐文冰，吴 科，高 凡

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430071）

掺氧化镁抗裂剂的海工大体积混凝土的配制及应用

余以明，徐文冰，吴 科，高 凡

（中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430071）

为防止海洋环境下大体积混凝土出现开裂，导致腐蚀加剧的现象，工程在不布置冷却水管的情况下按大体积混凝土配合比设计的原则，采用低水泥用量、掺入大掺量的掺合料并掺入适量的MgO抗裂剂，通过配合比的优化设计及氧化镁对混凝土性能的影响分析，确定使用52%水泥、20%粉煤灰、20%矿粉、8%氧化镁抗裂剂的胶凝材料体系效果较好，配制出来的混凝土工作性能、力学性能、耐久性优良，通过试验段的施工，该大体积混凝土结构未出现明显裂缝，满足海工大体积混凝土的施工要求。

大体积混凝土；MgO抗裂剂；配合比；裂缝

目前，国内掺氧化镁抗裂剂的混凝土主要应用于水电站大坝基础、船闸工程等，少量应用于建筑工程，大规模应用于海工工程尚未见诸文献。氧化镁抗裂剂的膨胀机理[1]在于方镁石水化生成氢氧化镁晶体并在局部区域内生长发育，使硬化浆体产生膨胀，膨胀能来自氢氧化镁晶体吸水肿胀力和结晶生长压力。通过相关资料分析，发现氧化镁抗裂剂中氧化镁含量越高，其后期延迟膨胀性能越好，应用特制轻烧氧化镁材料配制混凝土，以其延时性膨胀性能补偿混凝土收缩所产生的拉应力，达到使大体积混凝土体积稳定，减少或不产生裂缝、简化温控措施（不布置冷却水管）、降低工程成本、加快工程建设的目的。

1 原材料及配合比设计

1.1 原材料

水泥：华润（防港城）P.O42.5水泥；砂：北海砂场中砂；碎石：5~31.5 mm铁炉港碎石；粉煤灰：钦州永佳F类域级粉煤灰；矿粉：海南檀溪新型材料有限公司S95；减水剂：四川路加聚羧酸系高性能减水剂、天津同祥聚羧酸减水剂；抗裂剂：江苏苏博特HMER-域高性能混凝土氧化镁复合膨胀剂、武汉三源镁质高性能混凝土抗裂剂、天津金盛源氧化镁抗裂剂；拌合水：自来水。氧化镁抗裂剂的性能指标[2]见表1。

表1 不同品种氧化镁抗裂剂性能指标Table1 Performance indexes of different MgO anti-cracking agents

1.2 配合比设计

本工程对原海工构筑物结构进行了加宽、加高设计，增加的混凝土结构属于大体积混凝土，因混凝土界面阴阳角较多，为异型结构，应力集中，受混凝土内约束及旧混凝土外约束的影响，导致混凝土容易开裂。

针对上述情况，该海工大体积混凝土结构设计强度为C30，配合比按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的设计原则[3]及GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》[4]、JTS 202-2—2011《水运工程混凝土质量控制标准》[5]的要求来进行优化设计。

2 试验结果及分析

2.1 氧化镁抗裂剂对高性能减水剂的影响

内掺武汉三源氧化镁抗裂剂，使抗裂剂取代10%的胶凝材料，其他材料种类及用量均不变，选用3种外加剂，分别为四川路加普通聚羧酸高性能减水剂、天津同祥聚羧酸减水剂、四川路加特制聚羧酸高性能减水剂。掺不同减水剂时氧化镁抗裂剂混凝土的性能见表2。

表2 掺不同减水剂时氧化镁抗裂剂混凝土性能Table2 Performance of MgO anti-cracking agent concrete adding different water reducing agent

对比1号、2号、3号配合比可知，掺入氧化镁抗裂剂后外加剂用量明显增加，且混凝土的工作性不好、抗压强度下降，表明氧化镁抗裂剂，对外加剂的吸附性较强，使拌合时的有效减水剂量减少，用水量增大，从而导致混凝土工作性及抗压强度下降，4号配比中掺入针对氧化镁抗裂剂而研制的减水剂后，其减水剂用量明显降低，工作性及抗压强度明显提高。

2.2 氧化镁抗裂剂产品及用量的确定

选用3种氧化镁抗裂剂产品，在其他材料用量不变的情况下，改变抗裂剂的掺量分别为4%、6%、8%、10%，以天津金盛源氧化镁抗裂剂为例，其工作性及28 d抗压强度见表3。成型试件测试其在室温条件下28 d内的收缩及膨胀值，其中江苏苏博特氧化镁抗裂剂的膨胀发展趋势见图1，武汉三源及天津金盛源氧化镁抗裂剂的膨胀发展趋势见图2。

表3 不同掺量天津金盛源氧化镁抗裂剂产品的工作性及力学性能Table3 Work and mechanical properties of different dosage of Tianjin Jinshengyuan MgO anti-cracking agent products

图1 苏博特抗裂剂膨胀发展趋势图Fig.1 Expansion trend chart of Subote anti-cracking agent

图2 武汉及天津抗裂剂膨胀发展趋势图Fig.2 Expansion trend chart of Wuhan and Tianjin anticracking agents

由表3可知，随着MgO抗裂剂用量的增加，达到相同工作性时外加剂的用量明显增加，且28 d抗压强度明显下降，表明氧化镁对外加剂有较强的吸附性，会降低混凝土的和易性，因变相提高了混凝土的水胶比且氧化镁水化形成的晶体膨胀破坏了原水泥水化形成的网络结构导致其抗压强度有所下降。

由图1、图2可知，随MgO抗裂剂掺量的增加，总的膨胀量不断增加。对比图1与图2，使用同一掺量的苏博特MgO抗裂剂在前7 d龄期混凝土的膨胀量超过使用武汉三源及天津金盛源氧化镁抗裂剂的混凝土，但其混凝土膨胀量在4 d以后膨胀趋于稳定，28 d时混凝土的收缩超过其膨胀，总膨胀量相比7 d时有所下降。由图2可知，掺量一定时，武汉三源及天津金盛源MgO抗裂剂随龄期增长，7 d膨胀量逐渐增大，至28 d时膨胀量趋于稳定或略有增长。

因本结构工程加高、加宽后的裂缝绝大部分出现在新旧混凝土界面的阴阳角处，且不掺抗裂剂的混凝土结构在14 d后仍有新裂缝出现，这要求混凝土14 d后还需要有一定的膨胀量来补偿后期自收缩、干燥收缩及外约束导致的收缩裂缝，因此从控制后期裂缝的角度来考虑，需要选用在混凝土反应后期仍有一定膨胀量的抗裂剂，故优选氧化镁含量较高的抗裂剂。

纯氧化镁的膨胀性对温度比较敏感[6]，常温下膨胀值较小，因实体温度较高，其在实体中膨胀值远超过室温时测得的膨胀值，室温时28 d膨胀量能达到0.02%即可满足要求，故选用8%掺量的氧化镁抗裂剂。

在其他材料用量不变的情况下，分别掺入8%武汉三源及天津金盛源氧化镁抗裂剂，测试其抗压强度、电通量及混凝土限制膨胀率，测试结果见表4。

表4 武汉三源及天津金盛源氧化镁抗裂剂产品的性能对比Table4 Performance comparison of Wuhan Sanyuan and Tianjin Jinshengyuan MgO anti-cracking agent product

由表4可知，武汉三源的氧化镁抗裂剂与天津金盛源的氧化镁抗裂剂因其氧化镁含量相差不多，其28 d的限制膨胀率基本一致，但相同掺量的情况下，掺入了武汉三源氧化镁抗裂剂的混凝土其抗压强度更高，电通量更低，耐久性更优良，故最终确定选用掺量为8%的武汉三源氧化镁抗裂剂。

2.3 胶凝材料体系的确定

在砂、石、用水量一定的情况下，固定胶凝材料用量为360 kg/m3，水胶比为0.4，砂率为38%，选用3种胶凝材料体系，分别为92%C+8%M、58.7%C+33.3%F+8%M、52%C+20%F+20K+8%M，拌制混凝土测试其坍落度及28 d抗压强度，测试结果见表5。

由表5可知，相比单掺、双掺体系，三掺体系因优化了胶凝材料的微观级配，不仅降低了外加剂用量，提高了混凝土的和易性，且使得混凝土抗压强度有明显提高，耐久性更优。因此，提出掺氧化镁抗裂剂混凝土的推荐配合比，见表6。

表5 不同胶材体系的混凝土性能测试结果Table5 Performance test results of different gelled material system concrete

表6 大体积混凝土的配合比Table 6 Mixture ratio of mass concrete

3 试验段应用情况

简化结构试验段的温控措施，不布置冷却水管，浇筑时混凝土的坍落度控制在160依20 mm，现场施工性能较好，无泌水离析现象。试验段脱模后外观质量良好，无蜂窝和麻面。拆模后，采用双层土工布覆盖，定期洒水养护，3个月后观察该试验段大体积混凝土结构，表面、侧面及迎海面均无明显裂缝出现，表明氧化镁抗裂剂应用于大体积混凝土时可取代冷却水管的布置，从而节约工程成本，加快工程建设。

4 结语

1）氧化镁抗裂剂对外加剂的吸附性较强，使拌合时的有效减水剂量减少，要达到理想的工作性能需增加外加剂用量，则变相增大了用水量，从而导致混凝土工作性及抗压强度下降；随着MgO抗裂剂用量的增加，达到相同工作性时外加剂的用量增加，也导致混凝土抗压强度下降。

2）氧化镁含量较高的抗裂剂因其延迟膨胀性能可补偿混凝土后期自收缩、干燥收缩及外约束导致的收缩裂缝，从而有利于大体积混凝土的控裂；双掺粉煤灰及矿粉不仅减少了水泥用量，降低混凝土的绝热温升，且提高了混凝土的密实性、抗压强度、耐久性，更有利于混凝土的抗裂；采用氧化镁抗裂剂在某些情况下可取代冷却水管的布设，降低工程造价，加快工程建设。

3）优选武汉三源的氧化镁抗裂剂，确定其最佳掺量为8%，经过胶材体系的比选确定了海工大体积混凝土的最佳配比，配制出来的混凝土工作性能、力学性能、耐久性较好，满足海工大体积混凝土的施工要求。

[1] 邓敏，崔雪华，刘元湛，等.水泥中氧化镁的膨胀机理[J].南京化工学院学报，1990，12（4）：1-11.DENG Min,CUI Xue-hua,LIU Yuan-zhan,et al.Expansive mechanism of magnesia as an additive of cement[J].Journal of Nan原jing Institute of Chemical Technology,1990,12(4):1-11.

[2]DL/T 5296—2013，水工混凝土掺用氧化镁技术规范[S].DL/T 5296—2013,Technical specification of magnesium oxide expansive for use in hydraulic concrete[S].

[3]JGJ 55—2011，普通混凝土配合比设计规程[S].JGJ 55—2011,Specification for mix proportion design of ordinary concrete[S].

[4]GB 50496—2009，大体积混凝土施工规范[S].GB 50496—2009,Code for construction of mass concrete[S].

[5]JTS 202-2—2011，水运工程混凝土质量控制标准[S].JTS 202-2—2011,Quality control standards of concrete for port and waterway engineering[S].

[6] 刘加平，王育江，田倩，等.轻烧氧化镁膨胀剂膨胀性能的温度敏感性及其机理分析[J].东南大学学报：自然科学版，2011，41（2）：359-364.LIU Jia-ping,WANG Yu-jiang,TIAN Qian,et al.Temperature sensitivity of light burned magnesium oxide expansive agent expansive performance and its mechanism analysis[J].Journal of southeast university:natural science Edition,2011,41(2):359-364.

Preparation and application of mass marine engineering concrete with MgO anti-cracking agent in

YU Yi-ming,XU Wen-bing,WU Ke,GAO Fan
（CCCC Wuhan Harbour Engineering Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430071,China）

To prevent the cracking of mass concrete in marine environment,lead to the phenomenon of corrosion intensifies,without arrangement of the cooling water pipe,according to the principle of the mix proportion design of mass concrete with low cement dosage and large dosage of admixture and adding the right amount of MgO anti-cracking agent,through the optimization of mixture ratio design and impact analysis of MgO on the properties of concrete,we determined that using 52%cement,20%fly ash,20%mineral powder,and 8%MgO anti-cracking agent has good effect of gelled material system.The prepared concrete has excellent work performance,mechanical properties,and durability,through the construction of the test section,this mass concrete structure does not appear obvious cracks,which can meet the construction requirements of mass marine engineering concrete.

mass concrete;MgO anti-cracking agent;mixture ratio;cracks

U654

A

2095-7874（2017）12-0033-04

10.7640/zggwjs201712008

2017-04-17

2017-05-27

余以明（1985— ），男，湖北荆州人，硕士，助理工程师，主要从事新型高性能混凝土方向的研究。E-mail：365806156@qq.com