不同养护条件下MgO 对混凝土力学性能的影响

2020-12-01程福星刘猛向飞王海龙

商品混凝土 2020年11期

程福星，刘猛，向飞，王海龙

（1. 武汉源锦建材科技有限公司，湖北武汉 430083；2. 武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430083）

0 引言

混凝土作为世界上用途最广、体量最大的建筑材料，而被广泛应用于建筑工程、公路工程、桥梁和隧道工程、水利工程、核电工程等各类建设领域中，对社会的发展与进步起着无可替代的作用。然而混凝土材料容易开裂问题一直困扰着众多专家、学者。研究表明，利用膨胀剂在水化过程中产生的体积微膨胀，进而在混凝土结构内部产生预压应力，来补偿混凝土因收缩带来的开裂风险是有效措施之一[1-3]。MgO 膨胀剂因具有水化需水量小、膨胀历程可控、水化产物晶体结构稳定等优点，相较于钙矾石膨胀剂而被广泛使用[4,5]。

凝土结构物主要用于承受荷载或抵抗各种作用力，因此，抗压强度是混凝土最重要的力学性能指标，与此同时，对于混凝土结构物所处的环境条件，例如高温、高湿、低湿、强限制等，对混凝土强度的发展均有影响，因此研究掺 MgO 膨胀剂在不同养护条件下对混凝土抗压强度的影响十分重要[6]。针对此情况，本文研究了不同 MgO 掺量混凝土试块处于自然养护、标准养护、限制养护和高温养护条件下的强度发展规律，以期对 MgO 膨胀剂的工程应用给予一定指导作用。

1 试验

1.1 试验材料

（1）试验所用水泥为华新水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥 P·O42.5，其化学组成见表 1，性能指标见表 2。

表1 普通硅酸盐水泥的化学组成

表2 普通硅酸盐水泥的物理性能

（2）MgO 膨胀剂选用武汉三源特种建材责任有限公司生产的 M 型 MgO，活性值为 122s，其 XRD 图谱及微观形貌见图 1；矿粉选用济南某公司生产的 S95 矿粉，28d 活性指数 102%；粉煤灰选用武汉青山发电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，细度 14.8%。三种材料化学成分见表 3。

表3 矿粉、粉煤灰及 MgO 化学组成 %

（3）细骨料为当地河砂，细度模数为 2.6，含泥量1.3%；粗骨料采用 5～31.5mm 连续级配花岗岩碎石，其主要物理性能指标如表 4。

表4 粗骨料主要物理性能指标

（4）拌合水为自来水；减水剂由武汉三源特种建材责任有限公司生产的 Ujoin-PC 型聚羧酸高性能减水剂，固含量为 20.6%，减水率为 22%。

1.2 试验方案

1.2.1 混凝土配合比

根据 JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》，设计选用 C30 普通混凝土为基准，MgO 膨胀剂取代粉煤灰用量分别为 0kg、20kg、40kg 和 60kg，试验编号为：C30-0、C30-2、C30-4 和 C30-6，具体配合比见表5。

1.2.2 混凝土性能检测方法

抗压强度检测参照国家标准 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》；根据表 5 的配合比制作 100mm×100mm×100mm 试件，试件成型后，置于温度为 20℃ 的室内，24h 后拆模，其中限制养护为相同尺寸钢模，24h 后带模放入标准养护室，其余试块依次放入 80℃ 水样箱，温度 (20±2)℃、相对湿度 (97±2)% 的标准养护室，温度 (20±2)℃，相对湿度 (50±2)% 的自然环境下养护至检测龄期，再使用全自动压力试验机测试不同养护条件下混凝土试块 7d、28d、60d、90d 和 180d 龄期的抗压强度。

表5 C30 混凝土配合比 kg/m3

2 试验结果及分析

混凝土在不同养护条件下的抗压强度检测结果见表6。

2.1 自然养护条件下对混凝土强度的影响

在自然养护条件下，MgO 膨胀剂掺量对混凝土抗压强度的影响见图 2。

由图 2 可见，在自然养护条件下，当 MgO 掺量在20kg 和 40kg 时，混凝土早、中期抗压强度与对照组差别不大，但长龄期抗压强度略低于空白组，可能是相对于 MgO，粉煤灰在后期发生二次水化，使得结构更加密实，导致对照组后期强度更高，而早期粉煤灰并无明显活性，两者对混凝土强度影响不大；但对于 60kg 掺量，混凝土各龄期抗压强度均低于对照组，且差距随龄期增大而增大，说明粉煤灰的二次水化对混凝土后期强度是有利的，且 MgO 掺量不宜过高。

图1 MgO 膨胀剂的微观形貌及 XRD 图谱

表6 不同养护条件下各试样的抗压强度结果 MPa

图2 自然养护条件下 MgO 掺量对混凝土抗压强度的影响

2.2 标准养护方式对混凝土强度的影响

图3 为在标准养护下不同掺量 MgO 对混凝土性能的影响。

由图3可知，在标准养护下，MgO 掺量为 20kg时，各龄期混凝土强度与对照组差别不大，但当掺量提高至 40kg 时，两者的差距逐步拉大，其原因是在标准养护下，有利于胶凝材料的水化，掺合料的二次水化也更充分，MgO 对粉煤灰取代量过大时，影响了胶凝产物的生成，而 MgO 膨胀剂的水化不足以弥补这部分粉煤灰水化对强度的贡献。当 MgO 掺量增大至 60kg 时，混凝土抗压强度进一步下降，这与自然养护条件表现的规律相同，MgO 掺量越大，抗压强度损失越严重。

图3 标准养护条件下 MgO 掺量对混凝土抗压强度的影响

2.3 限制养护方式对混凝土强度的影响

限制养护对于掺膨胀剂混凝土而言，可提供更大的预压应力，其 MgO 掺量对混凝土抗压强度的影响结果见图 4。

图4 限制养护条件下 MgO 掺量对混凝土抗压强度的影响

由图 4 可见，限制养护条件下，掺 MgO 混凝土抗压强度并未优于对照组，原因之一是限制钢模并非完全限制，有一单面并未约束，影响了应力储备；另一种原因是 MgO 水化产物并未起到堵孔作用，只是起到了体积增大的作用，增加的密实度有限，而部分粉煤灰颗粒较细，可填充内部孔道，当其发生二次水化时，能更好地提高混凝土的密实度，对混凝土抗压强度提升作用更明显。同时可以看到，限制养护混凝土早期强度较标准养护下强度更高，原因是限制养护可提升水化热聚集，增大混凝土早期水化温度，对强度发展是有利的；但随MgO 掺量增大，混凝土抗压强度依旧表现下降趋势，进一步说明，就内掺取代掺合料而言，MgO 掺量不宜过高。

2.4 高温养护方式对混凝土强度的影响

对于大体积混凝土而言，混凝土内部温度可高达70～80℃，采用高温养护可模拟实际工况，探究高温下掺 MgO 对混凝土力学性能的影响，试验结果见图 5。

图5 高温养护条件下 MgO 掺量对混凝土抗压强度的影响

由图5可见，在高温养护下，混凝土早期强度得到提高，这与水泥水化速率提升有较大关系，当 MgO 掺量为 20kg 时，随养护龄期的延长，混凝土抗压强度优于对照组，说明高温下加速了 MgO 的水化，其产生的微膨胀提高了混凝土的密实度；但当掺量提升至 40kg时，各龄期混凝土抗压强度与对照组相当，说明粉煤灰的二次水化效果得到体现，可抵消 MgO 产生的微膨胀效应，但 MgO 产生过度膨胀，可能导致混凝土结构局部破坏，对过渡界面区的稳定性有影响，影响强度；当掺量提升至 60kg 时，混凝土抗压强度明显降低，说明混凝土中 MgO 膨胀剂掺量不宜太高。

2.5 不同养护条件对混凝土强度的影响

结合上文的试验结果，混凝土中掺 20kg MgO 对强度影响不大，特选取该掺量下不同养护条件对抗压强度的影响，对比结果如图6。

图6 不同养护条件下掺 20kg MgO 对混凝土抗压强度的影响

由图6可清晰看到，高温养护对掺 MgO 混凝土强度贡献最大，而自然养护则相反；限制养护与标准养护对混凝土强度影响相当，但 7d 结果表明前者更优，原因是限制养护下早期水泥水化热聚集，提升了水化环境温度；在不同养护条件下，各龄期抗压强度均呈现增大趋势，没有出现强度倒缩现象，但对于高温养护，试块龄期从 60d 到 180d 强度增长相对缓慢，可能是在高温养护下，早龄期胶凝材料水化反应较充分引起。