膨胀剂对桥梁用混凝土性能的影响试验研究

陈平

摘 要：针对桥梁用混凝土抵抗开裂能力薄弱的缺陷，本研究通过探究新型轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土和易性、耐久性能、力学性能的影响，讨论了不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量在不同养护条件和温度下对桥梁用混凝土性能的影响。当以0%、5%、10%的轻烧氧化镁膨胀剂替代C30混凝土胶凝材料时，随着轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量的增加，C30混凝土的压缩强度先增后减，在掺入量为5%时强度达到最大;当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量相同时，带模养护比不带模养护的C30混凝土强度更大，养护温度越高C30混凝土的强度越大。

关键词：轻烧氧化镁膨胀剂;混凝土性能;和易性;压缩强度

中图分类号：TQ452 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）07-0192-05

Experimental Study on Influence of Expansive Agent on Performance of Concrete for Bridge

Chen Ping

（China Tiesiju Civil Engineering Group， Hefei 230023， China）

Abstract：In view of the weak crack resistance of concrete for bridge， this study explores the influence of new light burned magnesium oxide expansion agent on the workability， durability and mechanical properties of C30 concrete， and discusses the influence of different blending amount of light-burned magnesia expansion agent on the performance of bridge concrete under different curing conditions and temperatures. When C30 concrete cementitious material is replaced by 0%，5% and 10% light burned magnesia expansive agent， the compressive strength of C30 concrete increases first and then decreases with the increase of the content of light burned magnesia expansion agent， and reaches the maximum when the content is 5%; the strength of C30 concrete cured with formwork is higher than that without formwork when the content of MgO expansion agent is the same. The higher the curing temperature is， the greater the strength of C30 concrete is.

Key words：light burned magnesia expansive agent; concrete performance; workability; compressive strength

长期以来，桥用混凝土的抗开裂能力弱的问题始终困扰着工程界和学术界。如何提高桥梁混凝土抗开裂能力，成为当前推广高性能混凝土无法回避的重点和难点。传统上，提高桥梁混凝土抗开裂能力的方法是通过在混凝土内部埋设冷水管或降低水化放热[1]等方法来实现。但由于这类方法施工过程复杂，严重影响了施工进度，且增加了工程造价，因此不适合广泛应用于桥梁建设。现代建筑工程中，利用膨胀剂提高混凝土建筑结构性能[2]的应用十分广泛，但利用膨胀剂提高桥梁用混凝土的研究和应用较为缺乏，故本研究结合当前膨胀剂在混凝土中的应用，重点研究了轻烧氧化镁膨胀剂对桥梁用混凝土性能的影响，以提高桥梁用混凝土的抗开裂能力。

1 材料与方法

1.1 设备与试剂

研究使用主要設备包括豫捷JS1500混凝土搅拌机、DYE-2000型混凝土万能压力机、安东帕MCR92流变仪、SRFM-860混凝土收缩膨胀率测定仪、GT1253千分表、SU3900扫描电镜;原材料包括PO42.5水泥、II级粉煤灰、S95级矿渣，以及含泥量不大于3%，泥块含量不大于1%的细骨料，最大粒径不大于40mm，含泥量不大于1%，泥块含量不大于0.5%的粗骨料;减水剂选用由安徽中铁工程材料科技有限公司提供的PCA?-I聚羧酸高性能减水剂，其减水率为15.5%;选用由武汉吉叶升化工有限公司生产的轻烧氧化镁作为作为试验用膨胀剂，其主要成分含量如表1所示。

1.2 研究方法

为探究膨胀剂对桥梁用混凝土性能影响，本研究主要从掺入轻烧氧化镁膨胀剂对桥梁用混凝土和易性、耐久性、力学性[3]3个方面进行深入分析。分别研究了加入0%、5%、10%的轻烧氧化镁膨胀剂时，新拌混凝土的和易性变化规律，以及对C30混凝土碳化深度的影响;不同掺入量的轻烧氧化镁膨胀剂混凝土7d、14d、28d龄期下，轻烧氧化镁对混凝土力学性能的影响，以及对混凝土膨胀性能的影响。

1.3 试验过程

将水泥、粉煤灰、矿渣3种原材料按4∶3∶3的比例，使用搅拌机进行混合后均分为4组。其中，第1组为基准组，不掺入轻烧氧化镁膨胀剂;其余3组分别加入0%、5%、10%的轻烧氧化镁膨胀剂代替胶凝材料中的各组成材料。通过适配和计算调整，最终确定了C30混凝土的配合比如表2所示。然后对不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的C30混凝土进行测定，得到其对C30混凝土和易性、耐久性、力学性影响结果。最后，为深入探究轻烧氧化镁膨胀剂对桥梁用混凝土性能的影响，研究利用扫描电镜对不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的C30混凝土进行了电镜扫描。将各组混凝土在标准养护条件下进行烘干制样，放入扫描电镜真空仓进行SEM试验。

2 结果与分析

2.1 轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土的和易性影响结

果分析

本研究按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测定轻烧氧化镁膨化机对桥用混凝土C30的和易性[4][5]。通过不断调节减水剂的用量，得到如表3所示的混凝土和易性结果。由表可知，随着轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量增加，减水剂的用量也逐渐上升;当轻烧氧化剂掺入量大于5%达到10%时，减水剂的掺入量明显增加，C30混凝土的坍落度明显降低。减水剂的增加容易造成C30混凝土离析和泌水，因此为保证掺入轻烧氧化镁膨胀剂掺入量最高，且不影响C30混凝土的工作性能，掺入5%的轻烧氧化镁膨胀剂最适量。

2.2 轻烧氧化镁膨胀剂对混凝土耐久性能影响结果分析

研究按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》试验桥用混凝土耐久性能[6-7]，测量在自然养护下C30混凝土碳化一个月和两个月的深度值如表4所示。当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量分别为0%、5%、10%时对C30混凝土的耐久性能影响如图1所示。由图1可知，碳化一直存在，但随着轻烧氧化镁膨化机的掺入量增加，C30混凝土的碳化值和碳化深度逐渐降低;当轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量为10%时，碳化值最低。由此说明轻烧氧化镁降低了C30的碳化深度，提高了C30混凝土的抗碳化能力，即轻烧氧化镁膨胀剂可提高C30混凝土的耐久性能。

2.3 轻烧氧化镁膨胀剂对混凝土力学性能影响结果分析

混凝土的力学性能主要表现在混凝土的压缩强度上，因此研究按照GB/T50081-2002《混凝土力学性能试验方法标准》试验桥用混凝土的强度[8-9]。掺入0%、5%、10%的轻烧氧化镁C30混凝土，在7d、14d、28d龄期的强度如表5所示。

由表5可知，C30混凝土强度与轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量、约束条件、养护温度相关，因此本研究从这3个方面分析轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土强度的影响。

2.3.1 不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量下C30混凝土强度

不同掺入量的轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土强度的影响结果，如图2所示。

由图2可知，当约束条件和水化龄期相同时，随着轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的增加，C30桥用混凝土的强度呈现先增加后下降的趋势。当轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量为5%时，C30桥用混凝土的压缩强度最高;当轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量超过5%时，C30桥用混凝土的压缩强度逐渐降低，且低于未添加轻烧氧化镁膨胀剂的混凝土强度。此外，在龄期为28d前，不同掺入量的轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土强度的影响不明显;当龄期大于28d在56d时，不同掺入量的轻烧氧化镁膨胀剂对C30混凝土强度的影响差距逐渐明显，且在10%的轻烧氧化镁掺入量时，C30混凝土的强度明显下降。由此可以看出，当只有轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量发生变化时，掺入5%比未掺入轻烧氧化镁膨胀剂的强度更高;掺入10%的轻烧氧化镁膨胀剂比未掺入轻烧氧化镁膨胀剂的强度更低。（图中显示的氧化镁掺入量为0、3%、6%、9%，并非按照0、5%、10%的量）

2.3.2 不同约束条件下C30混凝土压缩强度

不同轻烧氧化膨胀剂掺入量对不同约束条件下C30混凝土压缩强度的影响结果，如图3所示。

由图3可知，当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量相同时，7d龄期不带模的C30混凝土的强度强于带模C30混凝土强度;随着水化龄期增长，不带模的C30混凝土的强度比带模C30混凝土强度更低。此外，随着水化龄期增长，带模比不带模对C30混凝土强度的提升作用逐渐减小。由此可以看出，带模对C30混凝土强度的提高作用强于比不带模对C30混凝土的提高作用。

2.3.3 不同养护温度C30混凝土压缩强度

不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量对不同养护温度C30混凝土压缩强度影响结果，如图4所示。

由图4可知，当水化龄期和轻烧氧化镁膨胀剂掺入量相同时，随着养护问题的提升，C30混凝土的压缩强度逐渐提高，且随着养护温度的升高，C30混凝土强度提升的速度更快。当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量为5%时，7d龄期40℃温度的养护条件C30混凝土强度比标养下的比标养下的高52.6%，28d龄期40℃溫度的养护条件C30混凝土强度比标养下的比标养下的高29.6%;当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量为10%时，7d龄期40℃温度的养护条件C30混凝土强度比标养下的比标养下的高51.3%，28d龄期40℃温度的养护条件C30混凝土强度比标养下的比标养下的高28.4%。由此可以看出，养护温度的升高可提高C30混凝土的强度，且在水化龄期早期提升效果更明显。

2.4 扫描电镜观察结果分析

对C30混凝土取样进行扫描电镜观察，得到不同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的C30混凝土在不同龄期的图片，如图5所示。

由图5可知，加入轻烧氧化镁膨胀剂的C30混凝土在120d龄期时，轻烧氧化镁膨胀剂已经生成氢氧化镁混合于混凝土中，从而降低了混凝土的孔隙率，提高了混凝土的密度，使得混凝土的压缩强度和抗碳化能力得到提升，有利于其整体强度和耐久性的提高。由此可以看出，掺入轻烧氧化镁膨胀剂是提高C30混凝土的强度和耐久性的根本原因。

3 结论

在膨胀剂对桥梁用混凝土和易性影响试验中，随着轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的增加，减水剂的用量也逐渐上升，当轻烧氧化镁膨胀剂掺入量为5%时，C30混凝土的工作性能最高，能够获得足够的坍落度和扩展度。

在膨胀剂对桥梁用混凝土耐久性能影响试验中，随着轻烧氧化镁膨胀剂的掺入量增加，C30混凝土的额碳化深度逐渐降低，说明轻烧氧化镁膨胀剂可有效提升C30混凝土的抗碳化能力，即提高其耐久修能。

在膨胀剂对桥梁用混凝土力学性能影响试验中，约束条件和水化龄期相同时，随着轻烧氧化镁膨胀剂掺入量的增加，C30混凝土的强度呈现先升后降的趋势，且在轻烧氧化镁膨胀剂掺入量为5%时压缩强度最高;带模养护对C30混凝土的强度提高幅度高于不带模养护对C30混凝土的强度提高幅度，且在56d龄期前这种提升幅度更明显;相同养护条件和相同轻烧氧化镁膨胀剂掺入量时，随着温度的增加，C30混凝土的强度逐渐增加。

参考文献

[1]刘春.改性MgO膨胀剂对水泥浆体流动度和膨胀性能的影响[J/OL].长江科学院院报：1-5[2020-09-29].

[2]刘路明，方志，黄政宇，等.膨胀剂与内养剂对超高性能混凝土性能的影响[J/OL].硅酸盐学报：1-10 [2020-09-29].

[3]王朦诗，宁贵霞，张戎令，等.SAP对水泥水化热及不同水胶比膨胀混凝土强度的影响[J].硅酸盐通报，2019，38（03）：788-793.

[4]党星海，周群，曹润倬，等.采用响应曲面法的补偿收缩混凝土力学性能优化研究[J].混凝土，2019（11）：39-42+49.

[5]徐可，竟艳，周清松，等.不同颗粒粒径区间膨胀剂膨胀性能、膨胀速率的研究[J].混凝土世界，2020（02）：72-75.

[6]秦宪明，项斌峰，王灵秀，等.再生骨料高性能混凝土的性能研究现状[J].中国建材科技，2019，28（02）：14-18.

[7]付泽东，吕林女，肖静，等.CSA膨胀剂对超高性能混凝土性能的影响[J].材料科学与工程学报，2019，37（04）：559-564+594.

[8]王倩.外加剂对混凝土性能的影响及质量控制探究[J].绿色环保建材，2019（09）：8+10.

[9]樊宇.混凝土外加剂的选择与应用[J].散装水泥，2019（05）：27-28+45.

[10]杨晓瑞，陈辉国，雷屹欣.掺粉煤灰混凝土碳化研究进展[J].粉煤灰综合利用，2019（03）：99-104.