掺氧化镁抗裂剂的海工大体积混凝土配制及应用研究

余以明 ，徐文冰 ，吴柯 ，高凡

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

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[1-2]。氧化镁抗裂剂的膨胀机理[3]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膨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[4-5]，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 试验

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Ⅱ级粉煤灰；矿粉：海南檀溪新型材料有限公司S95级矿粉；减水剂：四川路加聚羧酸系高性能减水剂（普通型：含固量10%；特制型：含固量18%且增加了保坍落组分）、天津同祥聚羧酸减水剂（含固量15%）；抗裂剂：江苏苏博特HME-Ⅱ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见表1，测试方法参照DL/T 5296—2013《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》。

表1 氧化镁抗裂剂的性能指标

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》的设计原则及GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》、JTS202-2—2011《水运工程混凝土质量控制标准》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，使其取代10%的胶凝材料，其它材料种类及用量均不变，选用3种减水剂，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。掺不同减水剂和氧化镁抗裂剂时混凝土的性能见表2。

表2 掺不同减水剂和氧化镁抗裂剂时混凝土的性能

对比1#、2#、3#试样可知，掺入氧化镁抗裂剂后减水剂用量明显增加，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减水剂的吸附性较强，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#试样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。故后续试验均采用四川路加特制聚羧酸高性能减水剂。

2.2 氧化镁抗裂剂产品及用量的确定

在其它材料用量不变的情况下，改变抗裂剂的掺量（内掺取代胶凝材料）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（其它2种氧化镁抗裂剂与其规律类似）。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，武汉三源与天津金盛源氧化镁抗裂剂的膨胀发展趋势基本相同，见图2。

表3 天津金盛源氧化镁抗裂剂掺量对混凝土工作及力学性能的影响

图1 掺苏博特抗裂剂混凝土的膨胀发展趋势

图2 掺武汉三源抗裂剂混凝土的膨胀发展趋势

由表3可知，随着氧化镁抗裂剂掺量的增加，达到相同工作性时减水剂的用量明显增加，且28 d抗压强度明显下降，表明氧化镁对减水剂有较强的吸附性，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下降。

由图1、图2可知，随氧化镁抗裂剂掺量的增加，混凝土总的膨胀量不断增大。对比图1与图2，使用相同掺量的苏博特氧化镁抗裂剂在前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，膨胀剂掺量一定时，武汉三源及天津金盛源氧化镁抗裂剂随龄期延长，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

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，掺加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进行后续试验。

2.3 胶凝材料体系的确定

在砂、石、水用量一定的情况下，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：A体系，92%水泥+8%抗裂剂；B体系，58.7%水泥+33.3%粉煤灰+8%抗裂剂；C体系：52%水泥+20%粉煤灰+20%矿粉+8%抗裂剂。拌制混凝土，测试其坍落度及28 d抗压强度，结果见表5。

表5 不同胶凝材料体系的混凝土性能测试结果

由表5可知，相比A、B体系，水泥、粉煤灰、矿粉和抗裂剂复掺的C体系因优化了胶凝材料的微观级配，不仅降低了减水剂用量，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。因此，提出掺氧化镁抗裂剂大体积混凝土的推荐配合比见表6。

表6 大体积混凝土的配合比 kg/m3

按此优化配比制备的混凝土其工作性优良，坍落度为180 mm；抗压强度较高，28 d抗压强度达54.2 MPa；耐久性较好，电通量1145 C，混凝土28 d的限制膨胀率为2.6×10-4，符合海工大体积混凝土的施工要求。

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±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 结论

（1）氧化镁抗裂剂对减水剂的吸附性较强，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减水剂用量，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；随着氧化镁抗裂剂用量的增加，达到相同工作性时减水剂的用量增加，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，加快工程建设进度。

（3）优选武汉三源的氧化镁抗裂剂，确定其最佳掺量为8%，经过胶凝材料体系的比选确定海工大体积混凝土的最佳配比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（矿粉）∶m（氧化镁抗裂剂）∶m（砂）∶m（石）∶m（减水剂）=187.2∶72∶72∶28.8∶720∶1176∶3.6，W/B=0.4。所配制混凝土的工作性能、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] 莫立武，邓敏.氧化镁膨胀剂的研究现状[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2010（1）：2-9.

[2] 游宝坤，齐冬有.关于氧化镁膨胀剂的评述[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2010（4）：4-6.

[3] 邓敏，崔雪华.水泥中氧化镁的膨胀机理[J].南京工业大学学报：自然版，1990，12（4）：1-11.

[4] 张守治，王军伟，刘加平，等.轻烧氧化镁膨胀剂对水泥浆体自收缩的影响[J].新型建筑材料，2013（4）：11-14.

[5] 陈昌礼，陈学茂.氧化镁膨胀剂及其在大体积混凝土中的应用[J].新型建筑材料，2007（4）：60-64.

[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，2011，41（2）：359-364.