氧化镁改性混凝土干缩裂缝自愈合性能试验研究

梁福敏

摘要：混凝土早期裂缝对混凝土长期耐久性和工程质量均会产生不良影响。文章分析了加入不同种类氧化镁膨胀剂的混凝土早期裂纹愈合特性，并通过室内试验对试样进行限制膨胀率、裂纹愈合情况和强度恢复率研究。结果表明：两种氧化镁均能促进混凝土的限制膨胀率增长以及裂纹愈合;氧化镁改性混凝土初始裂纹宽度在0.4 mm以内，随着养护龄期的增加，裂纹能完全愈合;氧化镁改性混凝土强度恢复率较高，但是随着氧化镁含量升高，强度恢复率逐渐降低;试验结果为混凝土早期裂纹治理提供新的解决措施。

关键词：裂缝;氧化镁;愈合;治理措施

0 引言

混凝土在养护初期由于温度差异或者湿度差异会形成干缩裂缝，养护后期未愈合的裂缝将会在外力等作用下不断发育，从而严重影响材料的耐久性，不仅会浪费大量的后期维护资源，还会严重影响工程质量[1-2]。而混凝土材料具有一定的自愈合性能，如何充分地发挥材料的自愈合性能，一直是学者研究的重点[3-5]。

其中最常见的方式就是向材料中加入添加剂，活性氧化镁由于具有延迟膨胀等特点逐渐被人们所熟知和利用，国外早已对氧化镁改良材料自愈合性能进行了研究[6-7]，如Qureshi等研究了两种氧化镁及不同掺量对混凝土裂缝自愈合性能的影响[8]，结果表明两种氧化镁在一定的掺量下均能有效地促进混凝土的自愈合性，提升材料的强度恢复率。彭成等[9]通过测量含不同氧化镁掺量和预置裂缝的混凝土在不同养护龄期下的强度恢复率和回弹波速，发现氧化镁不仅能提高混凝土的强度恢复率，还能延长裂缝自愈合的时间。

目前对于氧化镁改良混凝土自愈合性能的作用机理尚无明确的定论，有学者认为是氧化镁的水化反应产物氢氧化镁能够对混凝土裂缝进行填充[10-11];也有学者认为是氧化镁与水泥产生水化反应，生成能阻碍裂缝继续发育的物质[12]。但是以往所有的研究均表明氧化镁的活性对于混凝土裂缝自愈合性能的影响最大，而不同地区的氧化镁活性存在一定的差异，因此为了验证我国生产的氧化镁活性及其对混凝土裂缝自愈合性能的影响，需进行相关试验研究。

1 原材料及试验方案

1.1 试验原材料

本次试验采用的2种活性氧化镁（A和B）是武汉某建材公司生产的，通过柠檬酸反应法测定其活性发现，A和B的活性时间分别为70 s和130 s，其余原材料种类及混凝土配比如表1所示，减水剂的作用是控制坍落度始终能维持在180 mm左右。

以上述配比为基础，配制出空白组和对照组，再通过外掺法向其中分别加入两种活性氧化镁，两种氧化镁的质量分别为水泥质量的5%和10%，两种活性氧化镁的化学组成如表2所示。

1.2 试验方案

本文通过室内试验测量含有不同类型和掺量的活性氧化镁试样的限制膨胀率、裂纹宽度愈合情况和强度恢复率。用来测量限制膨胀率的试样尺寸为40 mm×40 mm×140 mm，测量时两端加上长度为9 mm的金属测头，试样在水中养护时温度为20±2 ℃，养护龄期为3 d、7 d、14 d和28 d。用来测量裂纹宽度愈合情况的试样是100 mm×100 mm的圆柱形，预置裂纹是在试样成型24 h后通过抗压试验实现，通过控制加载速度为1 MPa/s，当试样端面出现贯穿裂纹时停止加载，通过铁箍将含裂缝的试样进行固定，然后选取符合要求的试样进行下一步试验。预置裂纹的宽度分别为0.05 mm、0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.7 mm和1.0 mm，每个宽度裂纹选取三个试样，实验结果取三个试样的平均值，裂纹宽度通过显微镜观测。用来测量强度恢复率的试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，试样成型24 h后进行预破坏，即对试样进行单轴压缩试验，当加载力小于试样破坏最大力50 kN时停止加载，预破坏试样和完整试样在水中养护温度为20±2 ℃，养护龄期为7 d和28 d。强度恢复率计算公式如式（1）所示。

2 试验结果分析

2.1 限制膨胀率结果分析

空白组和两种活性氧化镁在两种掺量下试样的限制膨胀率试验结果如图1所示。从图中可以看出，未加入活性氧化镁的普通混凝土试样限制膨胀率最低，当养护龄期为28 d时，限制膨胀率为0.011 mm·m-1，说明活性氧化镁的加入均能在一定程度上促进试样的限制膨胀率，B类活性氧化镁两种掺量试样的限制膨胀率与A类活性氧化镁掺量为5%时十分接近，比空白组略有增加，但是增大幅度较小;A类活性氧化镁掺量为10%时限制膨胀率最大，当养护龄期为28 d时，能达到 0.062 mm·m-1。

2.2 裂纹愈合结果分析

根据限制膨胀率试验结果，选取A类活性氧化镁10%掺量下的试样进行裂纹愈合情况试验研究。选取具有不同初始裂纹宽度的试样进行同等条件下的养护，记录不同养护龄期下试样裂纹的宽度，试验结果如下页图2所示。从图中可知，当试样裂纹宽度在0.4 mm及以下时，养护一定时间裂纹能完全愈合，愈合比例高达100%;当裂纹为0.7 mm和1.0 mm时，养护初期裂纹能愈合一部分，养护到14 d时愈合基本停止，养护到28 d时裂纹宽度分别为0.50 mm和0.82 mm，愈合比例分为28.6%和18%。说明活性氧化镁对于混凝土早期裂纹的愈合具有促进作用，但是裂纹宽度较大时，愈合作用不明显。

根据混凝土结构设计规范相关规定，混凝土在不同的使用环境和结构中，所允许的最大裂纹宽度范围为0.1～0.3 mm，从上述试验结果可以看出，裂缝宽度在这个范围内，氧化镁的加入对材料裂纹的愈合具有很好的促进作用，保障了材料的耐久性和工程质量。

2.3 强度恢复率结果分析

通过测量含不同种类和掺量活性氧化镁试样在不同养护龄期下的强度，得到强度恢复率结果如图3所示。从图中可以看出，相比未加入活性氧化镁的试样而言，加入活性氧化镁的试样强度恢复率均较高，在龄期分别为7 d和28 d时，未加入氧化镁的试样强度恢复率分别为25.6%和38.6%，加入5%A类氧化镁的试样强度恢复率分别为42.9%和64.4%，加入5%B类氧化镁的试样强度恢复率分别为40.6%和62.1%，说明活性氧化镁能促进材料的强度恢复。从图中还可以看出，在龄期分别为7 d和28 d時，加入10%A类氧化镁的试样强度恢复率分别为40.6%和61.1%，加入10%B类氧化镁的试样强度恢复率分别为39.8%和59.6%，说明加入同种氧化镁的试样，活性氧化镁的含量越高，强度恢复率反而越低。这主要是因为氧化镁加入到混凝土中，会促进混凝土的膨胀率，过量的活性氧化镁会导致混凝土因膨胀而增大内部的孔隙率，从而导致强度有所下降，因此活性氧化镁的掺量不能太高。

2.4 氧化鎂作用机理分析

通过相关研究表明[10]，结合本文试验结果可知，氧化镁促进混凝土早期裂缝愈合源于其膨胀性，膨胀机理为氧化镁改性混凝土中氢氧化镁的生成，因为氢氧化镁早期能吸水导致自身体积的膨胀，发育后期由于晶体之间的结晶力导致混凝土的进一步膨胀。因此氧化镁能促进混凝土的限制膨胀率，体积膨胀和氢氧化镁的填充等共同作用也会促进混凝土的裂缝愈合。但是多量的氧化镁会对混凝土产生不利的影响，因为膨胀较大会导致混凝土内部孔隙率的升高，从而降低其强度。因此氢氧化镁的最佳掺量范围在5%～10%之间。

3 结语

本文对含不同种类及掺量活性氧化镁的混凝土试样进行室内试验研究，得到如下结论：（1）两种氧化镁均能促进混凝土的限制膨胀率增长以及裂纹的愈合;（2）氧化镁改性混凝土初始裂纹宽度在0.4 mm以内，随着养护龄期的增加，裂纹能完全愈合;（3）氧化镁改性混凝土强度恢复率较高，但是随着氧化镁含量的升高，强度恢复率逐渐降低;（4）试验结果为混凝土早期裂纹治理提供新的解决措施。

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