外掺氧化镁在普通混凝土中膨胀机理的研究

张贞强 刘国强 王建林 郑同鑫 白学伟 孙玉龙

（1甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207；2甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；3兰州新区圣夏建材有限公司，甘肃 兰州 730314）

工程建设中常利用F-CaO、F-MgO、硫铝酸盐等的膨胀性能，其在水化过程中产生体积膨胀，来补偿普通混凝土的收缩，是工程中防止普通混凝土收缩开裂的较有效措施[1-3]。兰州地区位于甘肃中部，属于黄土高原西部，这里黄土发育最好，地层全、厚度大、分布连续、沟壑纵横，塬、梁、峁、涧等典型的黄土地貌非常发育，是全世界地质自然灾害最严重的地区之一。本课题组多年针对兰州地区土质进行跟踪研究，对土质成分特别是土质中的硫酸盐、镁盐成分收集了大量的数据，为课题研究提供了重要的研究基础。针对兰州地区干、寒、盐的环境特点（钙矾石类膨胀剂无法使用），本文针对氧化镁膨胀剂在此类严酷环境中的适应性问题进行有益的探索，得到该环境下氧化镁膨胀剂对混凝土物理力学和抗侵蚀性能的相关技术指标，为解决此类严酷环境下混凝土的耐久性问题提供新的思路。

1 原材料

1）水泥：试验采用甘肃祁连山P·O42.5 普通硅酸盐水泥为胶凝材料，比表面积320m2/kg，标准稠度用水量25.5%，安定性合格。

2）骨料：试验用粗骨料为当地某商砼站提供的碎石，最大粒径31.5mm，表观密度2721kg/m3，现场含水率0.1%。细骨料为河砂，当地某商砼站提供，含泥量0.3%，表观密度2601kg/m3，现场含水率0.6%。骨料满足GBT 14685-2011《建设用碎石卵石》、GBT 14684-2011《建设用砂》的要求。

3）减水剂：FDN高效减水剂，当地某商砼站提供。减水剂满足GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》的要求。

4）粉煤灰：当地某商砼站提供，属Ⅱ级灰。粉煤灰满足GBT 1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

5）外加剂：氧化镁膨胀剂，满足CBMF19-2017《混凝土用氧化镁膨胀剂_征求意见稿》的要求。

2 普通混凝土的配合比

试验室用基本配合比见表1。其中，氧化镁膨胀剂的掺量（按照占水泥用量的百分比计算）设计为0、2.5%、5%、7.5%。减水剂的用量为2%，可根据实际的工作状态作适当的调整，拌合物坍落度控制在（180±20）mm，且坍落度经时损失控制在30mm以内。

表1 试验室用基本配合比（Kg）

3 试验方法

普通混凝土采用JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，同时展开试验，抗压强度试件均为150mm×150mm×150mm立方体[4]。研究氧化镁膨胀剂在相同掺量条件下，对不同养护龄期下普通混凝土力学性能、膨胀性能的影响；研究氧化镁膨胀剂在不同掺量条件下，对相同养护龄期下普通混凝土的力学性能、膨胀性能的影响。从而找到氧化镁膨胀剂的最佳试验室配合比，进而通过合作企业进行试生产。根据生产反馈的数据，对比工厂化生产和试验室不同的工况条件，调整掺量，最终找到适合企业生产的最佳掺量。根据GBT50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》的要求测试坍落度以及经时损失。

4 试验数据分析

4.1 氧化镁膨胀剂在相同掺量条件下，对不同养护龄期下普通混凝土力学性能、膨胀性能的影响

试验采用表1中混凝土配合比，经拌和成型强度试块，测试结果见表2-表5。纵向分析，由表中可以看出，普通混凝土试块的抗压强度和抗折强度随着养护龄期的延长都有所增加，且后期增长略显缓慢。氧化镁膨胀剂在0掺量时，不同养护龄期的没有发生膨胀变化，而氧化镁膨胀剂在2.5%、5.0%、7.5%掺量时，普通混凝土试块都发生了不同程度的膨胀变化，且在三个掺量条件下，氧化镁膨胀剂发生水化都是在水泥水化之后，即发生在28d龄期之后。从表中可以看出氧化镁膨胀剂的膨胀率基本在0.1%～0.2%，对于普通混凝土试块这种体积变化可以忽略，可以认为氧化镁膨胀剂的掺入并没有对水泥性能产生重大影响。

表2 不同养护龄期下氧化镁0掺量普通混凝土力学性能、膨胀性能

表3 不同养护龄期下氧化镁2.5%掺量普通混凝土力学性能、膨胀性能

表4 不同养护龄期下氧化镁5.0%掺量普通混凝土力学性能、膨胀性能

表5 不同养护龄期下氧化镁7.5%掺量普通混凝土力学性能、膨胀性能

4.2 氧化镁膨胀剂在不同掺量条件下，对相同养护龄期下普通混凝土的力学性能、膨胀性能的影响

试验试块横向比较，相同养护龄期条件下，氧化镁不同掺量的力学性能及膨胀性能测试结果见表6-表8。从表可见，随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，普通混凝土试块抗压强度均有不同程度的降低，尤其养护3个月龄期普通混凝土试块较基准试块强度降低8.3MPa，养护6个月龄期普通混凝土试块较基准试块强度降低9.8MPa。普通混凝土的膨胀性能随着养护龄期的延长都发生了体积膨胀，但其膨胀率基本在0.1%～0.2%，不会对普通混凝土的性能造成危害。

表6 相同养护龄期（1个月）下普通混凝土力学性能、膨胀性能

表7 相同养护龄期（3个月）下普通混凝土力学性能、膨胀性能

表8 相同养护龄期（6个月）下普通混凝土力学性能、膨胀性能

4.3 对比氧化镁膨胀剂不同掺量条件下的孔隙率

课题组采用排水法分别测得氧化镁膨胀剂在0、2.5%、5%、7.5%四个掺量条件下，养护6个月龄期普通混凝土试块的吸水率，由此推测不同掺量普通混凝土试块的孔隙率，测试结果见表9。从表中可见，随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，普通混凝土试块的吸水率都有所降低。由此推测，氧化镁膨胀剂在水泥水化之后发生了水化反应，体积膨胀填充了一部分试块内部的孔隙，从而降低了普通混凝土的孔隙率，改善了其孔结构，从而提高普通混凝土密实性，为下一阶段项目组进行相同浓度不同离子（SO42-、Mg2+）的浸泡试验，研究不同养护龄期下普通混凝土力学性能、膨胀性能的影响奠定了基础。

表9 相同养护龄期（6个月）下普通混凝土吸水率测试结果

5 结论

1）氧化镁膨胀剂在相同掺量条件下，不同养护龄期下普通混凝土试块的抗压强度和抗折强度随着养护龄期的延长都有所增加，且后期增长略显缓慢。氧化镁膨胀剂的膨胀率基本在0.1%～0.2%，对于普通混凝土试块这种体积变化可以忽略，可以认为氧化镁膨胀剂的掺入并没有对水泥性能产生重大影响。

2）氧化镁膨胀剂在不同掺量条件下，在相同养护龄期下，掺加氧化镁膨胀剂的普通混凝土试块的吸水率，随着氧化镁掺量的增加，都有所降低。

3）通过试验对比，与本课题提出的掺加氧化镁膨胀剂可以降低普通混凝土的孔隙率，改善孔结构，提高其密实度恰好相符。