镁质膨胀剂对混凝土工作性、强度、变形和耐久性影响研究＊

2023-10-17班勇婷孙钰秋罗如意

砖瓦 2023年10期

班勇婷孙钰秋罗如意师通

（1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波 315101；2.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北武汉 430040；3.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；4.中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北武汉 430040）

MgO 膨胀剂的研究最早开始于水工混凝土领域，20世纪70年代开始，我国科研人员运用MgO延迟膨胀的特点，补偿大体积混凝土温降收缩，避免了大坝混凝土的开裂，有效控制了混凝土的应变。基于此，研发了具有自主知识产权的“氧化镁混凝土快速筑坝技术”，这项技术在国际筑坝技术有重大创新和突破[1-3]。与传统的膨胀剂相比，MgO膨胀剂具有以下优点：不同活性值MgO 膨胀历程和膨胀效能具有很明显的差别，性能可设计性强；水化产物Mg(OH)2溶解度极低，稳定性好；MgO的水化反应需水量较小。

MgO膨胀剂由最初用于补偿温降速率较慢的大坝混凝土温降收缩，后开始不断在水工大体积混凝土以外的工程中得到试应用。氧化镁应用前景广阔，但在推广应用时仍面临一些问题[4]。主要表现在：MgO膨胀剂质量控制较难，MgO 膨胀剂性能对煅烧工艺极为敏感，长期以来，混凝土用MgO 膨胀剂缺乏专门的生产线，通常采取煅烧耐火材料或水泥用的立窑或回转窑，导致产品质量难以控制，均匀性和稳定性差；菱镁矿资源相对稀缺，MgO膨胀剂由菱镁矿煅烧制得，菱镁矿主要分布于我国的辽东半岛和胶东半岛，高品位菱镁矿主要分布在辽东半岛，是国家重点保护的稀缺资源。MgO 膨胀剂对应用技术要求高，正是由于MgO 膨胀剂膨胀历程的可设计性较强，也使得MgO 膨胀剂应用技术变得更为重要，需要综合考虑膨胀的可控性、有效性和安全性[5]。

1 试验

1.1 原材料

试验原材料采用石门中热水泥，华能Ⅰ级粉煤灰，细度模数为2.6河砂，粒径5mm～16mm连续级配的玄武岩碎石，骨料级配（小石：中石）=7:3，外掺减水剂（缓凝型）PCA-T2和引气剂GYQ。

1.2 配合比及试验方法

参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[6]，按照体积法进行外掺MgO 混凝土配合比设计。为了对比研究轻烧MgO在不同强度等级混凝土的工作性影响规律，水胶比分别选定为0.42、0.45、0.48 和0.51，砂率固定为33%，粉煤灰掺量固定为胶凝材料总量的25%，轻烧MgO 掺量固定为胶凝材料总量的5%。控制混凝土拌和物坍落度60mm～80mm，含气量4.0%～6.0%。经试拌水胶比为0.42的基准混凝土要达到良好的坍落度和包裹性，胶凝材料用量为300kg/m3，单位用水量126kg/m3。表1 为四种不同水胶比条件下掺与不掺轻烧MgO膨胀剂的混凝土配合比。

表1 按体积法设计的混凝土配合比参数

2 结果与讨论

2.1 外掺MgO混凝土工作性能

依据GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[7]按照表1给出的混凝土配合比参数，通过调整减水剂（缓凝型）和引气剂掺量，使混凝土拌合物初始坍落度控制在60mm～80mm 之间，含气量控制在4%～6%之间，掺与不掺轻烧MgO混凝土的拌合物性能见表2。

由表2 可知，轻烧MgO 掺入对混凝土坍落度影响较大，对含气量影响较小。在保持相同用水量的前提下，为了使混凝土坍落度满足设计要求，需适当增加减水剂（缓凝型）掺量，并相应使混凝土凝结时间略微延长5h～12h；在相同水胶比时，为使混凝土含气量满足设计要求，无须另外增加引气剂掺量。

2.2 MgO对混凝土力学性能的影响

力学性能可以宏观反映混凝土微观结构，是衡量混凝土性能的重要指标之一，其中量化混凝土力学性能的一个重要指标是强度。新拌MgO混凝土的含气量控制在4%～6%，参照DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》[8]，标养48h后脱模放入标养室养护至规定龄期测试其抗压强度。

图1（a）为不同活性反应时间MgO膨胀剂对某C35混凝土（水胶比0.42）的抗压强度影响规律的试验结果。由图可知，与不掺MgO的混凝土空白样相比，20℃标准养护外掺5%50sMgO、5%100sMgO、5%150sMgO 三种的混凝土抗压强度均有不同程度提升。以混凝土28d 抗压强度为参考点，水胶比0.42 条件下，MgO 水化活性值越小对混凝土抗压强度的提升效果越明显。5%MgO膨胀剂外掺时，三种活性反应时间的MgO膨胀剂均对混凝土抗压强度有增强的正效应，无影响强度的负效应。

图1 不同活性反应时间、掺量MgO对混凝土对C35强度的影响

图1（b）为不同掺量的外掺活性反应时间100sMgO，水胶比0.45的某C35混凝土的抗压强度。由图可知，与不掺MgO的混凝土空白样相比，以外加剂的形式不取代胶凝材料直接掺入4%～6%活性反应时间100s 的MgO 对混凝土抗压强度有一定的提升效果，MgO掺量越高对混凝土抗压强度的提升幅度越大。可见，在6%掺量范围内，外掺MgO 对混凝土强度起增强正效应。

2.3 MgO对混凝土变形的影响

在实际混凝土中，水泥水化放热或者外界环境的变化使混凝土的温度随时间变化。因此，轻烧MgO 膨胀剂在恒温体积下的自生体积变形不能与实际工程吻合。为了还原MgO 膨胀剂在实际工程应用中的效果，试验浇筑成型为Φ150mm×500mm的混凝土圆柱体，将应变计埋设与试件内部，在环境试验箱中密封养护，环境试验箱的变温历程见图2。

图2 变温养护时的温度历程

采用活性反应时间为31s、138s和240s轻烧MgO等质量取代胶凝材料总量的4%，水胶比固定为0.41，单位用水量124kg/m3，砂率33%，外掺35% I级粉煤灰。混凝土的自生体积变形见图3。升温阶段，掺与不掺轻烧MgO 的混凝土均产生明显的自生体积膨胀变形，但掺轻烧MgO 的混凝土产生的自生体积膨胀变形更大；降温阶段，掺与不掺轻烧MgO 的混凝土的自生体积变形均是收缩减小的，但掺轻烧MgO 的混凝土的自生体积收缩相对较小。

图3 外掺MgO混凝土的自生体积变形（初凝为零点）

2.4 MgO对混凝土耐久性的影响

混凝土抵抗气候作用、化学侵蚀、磨损或任何其他破坏过程的能力可以称为混凝土的耐久性。耐久性优异的混凝土暴露于使用环境时，会保持其原来的形状、质量，拥有极强的适用性。

图4为MgO 活性反应时间、掺量对外掺MgO 混凝土抗渗性能的影响规律。与不掺MgO的基准混凝土空白样相比，掺入MgO 后混凝土的平均渗水高度均有不同程度的减小。当MgO 掺量一定时，外掺5%100sMgO的混凝土渗水高度最小；当MgO水化活性一定时，在0～6%掺量范围内，MgO掺量越大，混凝土渗水高度越小。可见，在6%掺量范围内，外掺MgO 可改善混凝土的抗水渗透性能。