程福星，胡敏，張珍杰，周月霞，向飛，王海龍

（1.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430083；2.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083）

0 引言

現(xiàn)代高性能混凝土面臨的主要問題之一就是開裂，結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致滲漏發(fā)生、耐久性降低、安全性下降等一系列重大問題[1-3]。混凝土結(jié)構(gòu)開裂的主要原因包括荷載作用和約束下的收縮變形，其中后者占比高達(dá)80%。大量工程實(shí)踐表明，膨脹劑可起到補(bǔ)償混凝土收縮的效果，降低結(jié)構(gòu)的開裂風(fēng)險(xiǎn)。但常規(guī)的氧化鈣膨脹劑、氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑均存在水化反應(yīng)過快、膨脹能釋放歷程可調(diào)節(jié)性差、壓力水作用下易溶解等諸多不足[4-6]。因此，其在工民建工程、水工工程、交通工程等大體積結(jié)構(gòu)及有硫酸鹽侵蝕性介質(zhì)的混凝土工程中的使用均受到了一定程度的限制。與傳統(tǒng)的鈣礬石膨脹源膨脹劑相比，輕燒氧化鎂具有水化需水量少、膨脹歷程可調(diào)節(jié)、水化產(chǎn)物性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償溫度收縮、降低混凝土的自收縮和干燥收縮[7-9]。

當(dāng)前氧化鎂膨脹劑研究主要集中在高活性氧化鎂即活性反應(yīng)時(shí)間低于300 s，而對(duì)于低活性氧化鎂的研究較少。但有研究表明，低活性氧化鎂在高溫養(yǎng)護(hù)條件下，釋放的膨脹能總量大于高活性氧化鎂，這可為大體積混凝土結(jié)構(gòu)使用低活性氧化鎂膨脹劑補(bǔ)償收縮提供理論基礎(chǔ)[10-12]?；诖?，本文以選取典型大體積混凝土內(nèi)部實(shí)際溫度曲線，優(yōu)化設(shè)計(jì)溫度匹配試驗(yàn)條件，研究低活性氧化鎂對(duì)混凝土的力學(xué)性能、體積變形能力及彈性模量的影響，為其在實(shí)際工程中應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：華新水泥股份有限公司產(chǎn)，P·O42.5水泥；礦粉：武漢某公司產(chǎn)，S95級(jí)，28 d活性指數(shù)106%；粉煤灰：武漢青山發(fā)電廠提供，Ⅱ級(jí)，45μm篩篩余為15.7%；氧化鎂膨脹劑：MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s，依據(jù)DL/T 5296—2013《水工混凝土用氧化鎂膨脹劑》測(cè)得其活性反應(yīng)時(shí)間分別為203、405、612 s。原材料的主要化學(xué)成分見表1，水泥的物理力學(xué)性能見表2，氧化鎂膨脹劑的XRD圖譜見圖1。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

圖1 不同活性氧化鎂的XRD圖譜

（2）骨料：細(xì)骨料采用當(dāng)?shù)睾由?，?xì)度模數(shù)為2.6，含泥量1.2%；粗骨料采用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，其主要物理性能見表3。

表3 粗骨料的主要物理性能

（3）拌合水：自來水。

（4）減水劑：武漢三源特種建材有限責(zé)任公司產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，固含量15.6%，減水率26%。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 混凝土配合比

根據(jù)JGJ 55—2011《混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，設(shè)計(jì)選用C40普通混凝土為基準(zhǔn)，混凝土配合比見表4。結(jié)合工程實(shí)際情況，氧化鎂以膠凝材料用量6%外摻的形式添加。

表4 混凝土的配合比 kg/m3

1.2.2 混凝土試驗(yàn)方法

（1）混凝土的工作性能參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，力學(xué)性能參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（2）測(cè)試低活性氧化鎂對(duì)混凝土應(yīng)變性能的影響時(shí)，將拌制好的混凝土分2層裝入100 mm×100 mm×400 mm的塑料試模中，其中測(cè)試自由膨脹時(shí)將振弦式應(yīng)變計(jì)固定后直接埋設(shè)到試模正中間；測(cè)試限制膨脹時(shí)，先在塑料試模中放入混凝土限制膨脹桿，該膨脹桿符合T/CECS 540—2018《混凝土用氧化鎂膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》附錄A的要求，而后將振弦式應(yīng)變計(jì)固定在膨脹桿上，將拌制好的混凝土入模振搗密實(shí)，最后將成型好的混凝土試件覆膜，并置于提前設(shè)定好溫濕度程序的步入式環(huán)境模擬試驗(yàn)箱中，開啟設(shè)備，用振弦式讀數(shù)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土應(yīng)變及溫度數(shù)據(jù)。

（3）根據(jù)典型工程案例，設(shè)計(jì)溫度匹配試驗(yàn)條件，其溫度歷程曲線如圖2（a）所示，其中a-b段為澆筑后的升溫階段，b-c段為帶模養(yǎng)護(hù)保溫階段，c-d段為拆模后降溫階段，相對(duì)濕度設(shè)置為恒定值85%，待溫度匹配程序運(yùn)行結(jié)束后關(guān)閉設(shè)備，混凝土試件繼續(xù)放置于環(huán)境模擬試驗(yàn)箱中[見圖2（b）]，直至測(cè)試完所需數(shù)據(jù)。

圖2 溫度歷程曲線及步入式環(huán)境模擬試驗(yàn)箱

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度匹配條件下低活性氧化鎂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響（見表5）

表5 低活性氧化鎂對(duì)混凝土不同齡期抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可見，摻MgO-2s和MgO-4s混凝土3 d和7 d抗壓強(qiáng)度較空白組有一定提高，而摻MgO-6s混凝土3 d抗壓強(qiáng)度較空白組有一定降低，7 d抗壓強(qiáng)度快速提高，其原因是活性較高的MgO-2s和MgO-4s在溫度匹配條件下快速水化，生成氫氧化鎂晶體填充在晶體的孔隙中，減小了漿體孔隙率，從而使混凝土的強(qiáng)度提高；但低活性的MgO-6s早期水化程度較低，不能很地填充孔隙，隨著水化程度的提高，漿體孔隙進(jìn)一步填充，表現(xiàn)出混凝土試件7 d抗壓強(qiáng)度提高。從長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出，摻不同活性氧化鎂對(duì)混凝土力學(xué)性能均有一定負(fù)面作用，28 d和60 d抗壓強(qiáng)度比均低于100%，其原因是在溫度匹配條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，氧化鎂水化程度加速，在后期產(chǎn)生過大的膨脹，水化產(chǎn)物在混凝土中聚集，造成局部應(yīng)力過大，會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低[13]。

摻不同活性氧化鎂對(duì)各齡期混凝土試件抗壓強(qiáng)度影響有一定區(qū)別，主要是由于在溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下其水化反應(yīng)歷程的差異性導(dǎo)致，活性相對(duì)較高的MgO-2s和MgO-4s水化反應(yīng)快，產(chǎn)生的氧化鎂晶體在早期填充作用更明顯；而活性相對(duì)較低的MgO-6s水化反應(yīng)慢，但后期膨脹能釋放更大，生成的氧化鎂晶體在后期填充作用更明顯，但總體而言，摻不同活性氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度的影響不大。

2.2 溫度匹配條件下低活性氧化鎂對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響（見表6）

由表6可知，在溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下，不同活性氧化鎂對(duì)混凝土早齡期（3 d和7 d）抗折強(qiáng)度有利，摻MgO-2s、MgO-4s和MgO-6s，混凝土試件3 d和7 d抗折強(qiáng)度較空白組分別提高4.5%、7.6%、1.5%和4.4%、7.3%、8.8%，可見，活性最低的氧化鎂對(duì)混凝土3 d抗折強(qiáng)度降低貢獻(xiàn)最小，但其7 d抗折強(qiáng)度最高，這與抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出的規(guī)律一致，也間接印證了氧化鎂水化反應(yīng)速率對(duì)混凝土力學(xué)性能的發(fā)展是相互匹配的。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，摻氧化鎂混凝土試件抗折強(qiáng)度較空白組有所降低，這與其抗壓強(qiáng)度的下降有一定關(guān)系，在60 d齡期時(shí)，摻MgO-2s、MgO-4s和MgO-6s混凝土試件的抗折強(qiáng)度較空白組分別降低了6.2%、4.9%、3.7%。

2.3 溫度匹配條件下低活性氧化鎂對(duì)混凝土自由變形性能的影響

溫度匹配條件下，摻不同活性氧化鎂膨脹劑混凝土自由試件的綜合應(yīng)變曲線見圖3（a），扣除溫度變形后得到的混凝土體積膨脹變形修正應(yīng)變曲線見圖3（b）。

圖3 摻不同活性氧化鎂混凝土自由試件的時(shí)間-應(yīng)變曲線

由圖3（a）可見，在升溫階段，無論空白組還是摻氧化鎂試驗(yàn)組，混凝土自身體積均表現(xiàn)出膨脹狀態(tài)，主要是由于受溫度升高的影響，混凝土產(chǎn)生溫度變形，在此階段，低活性氧化鎂并沒有表現(xiàn)出明顯的膨脹能釋放；而在保溫階段，由于混凝土自身收縮的加劇，在溫度變形不變的情況下，空白組試件表現(xiàn)出收縮趨勢(shì)，而摻氧化鎂膨脹劑的混凝土則表現(xiàn)出膨脹增長(zhǎng)的規(guī)律，其原因是此階段氧化鎂水化加速，膨脹作用得以體現(xiàn)；在降溫階段，空白組和摻氧化鎂試驗(yàn)組均表現(xiàn)出膨脹減小趨勢(shì)，主要是溫度收縮導(dǎo)致，而試驗(yàn)組收縮相對(duì)較小，說明氧化鎂膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用抵消了部分自身收縮。

由圖3（b）可見，空白組試件始終表現(xiàn)出收縮狀態(tài)，而摻不同活性氧化鎂后混凝土始終保持膨脹狀態(tài)，摻MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的最高應(yīng)變分別為100με、99με、80 με，與此同時(shí)，由體積變形曲線可以看到，對(duì)于混凝土試件自由狀態(tài)下，不同活性補(bǔ)償收縮效果差異并不明顯，需要特別說明的是，曲線上數(shù)據(jù)點(diǎn)局部出現(xiàn)波動(dòng)，其原因一是設(shè)備的溫度控制精準(zhǔn)度不足，其二是在開箱取試件測(cè)試過程中帶來的溫度波動(dòng)，但整體而言并不影響溫度匹配趨勢(shì)。

2.4 溫度匹配條件下低活性氧化鎂對(duì)混凝土限制變形性能的影響

溫度匹配條件下，摻不同活性氧化鎂膨脹劑混凝土限制試件的綜合應(yīng)變曲線見圖4（a），扣除溫度變形后得到的混凝土體積膨脹變形修正應(yīng)變曲線見圖4（b）。

圖4 摻不同活性氧化鎂混凝土限制試件的時(shí)間-應(yīng)變曲線

由圖4（a）可見，與混凝土自由試件自身體積變形規(guī)律類似，在升溫階段，無論空白組還是摻氧化鎂試驗(yàn)組，混凝土均表現(xiàn)出膨脹狀態(tài)；而在保溫階段，由于混凝土自身收縮加劇，在溫度應(yīng)變恒定的情況下，空白組試件表現(xiàn)出收縮趨勢(shì)，而摻氧化鎂膨脹劑的混凝土則表現(xiàn)出膨脹增長(zhǎng)的規(guī)律，其原因是此階段氧化鎂水化加速，膨脹作用得以體現(xiàn)，而空白試件自收縮加??；在降溫階段，空白組和試驗(yàn)組均表現(xiàn)出膨脹減小趨勢(shì)，主要是由溫度收縮引起，而試驗(yàn)組收縮相對(duì)較小，同樣是由于氧化鎂膨脹劑的補(bǔ)償收縮作用抵消了部分自身收縮。

由圖4（b）可見，空白組混凝土試件始終表現(xiàn)出收縮狀態(tài)，最大收縮值超100με，而摻MgO-2s和MgO-4s混凝土始終保持膨脹狀態(tài)，最高應(yīng)變分別為80με和60με，相較于自由試件，膨脹有所削弱，主要是鋼筋限制了氧化鎂膨脹能的釋放。摻MgO-6s在升溫階段和保溫階段均表現(xiàn)出膨脹狀態(tài)，隨著降溫時(shí)間的延長(zhǎng)，逐步表現(xiàn)出收縮狀態(tài)，說明其補(bǔ)償收縮效果不足以抵抗混凝土自身的收縮，但其收縮值依舊低于空白組，與此同時(shí)，由體積變形曲線可以清晰看到，對(duì)于限制試件而言，補(bǔ)償收縮作用效果表現(xiàn)出摻MgO-2s最優(yōu)，摻MgO-4s次之，摻MgO-6s稍差。

2.5 溫度匹配條件下低活性氧化鎂對(duì)混凝土彈性模量的影響

溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下，摻MgO-4s混凝土不同齡期的靜彈性模量見表7。

表7 混凝土不同齡期的靜彈性模量

由表7可見，摻MgO-4s混凝土的靜彈性模量有所提高，3 d、7 d靜彈性模量較空白組分別提高了2.4%、2.9%，說明在溫度匹配條件下，MgO-4s可適當(dāng)提高混凝土的早期應(yīng)變能力，這與抗折強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律一致。隨著齡期的延長(zhǎng)，摻MgO-4s混凝土靜彈性模量表現(xiàn)出一定程度降低的規(guī)律，其原因是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，氧化鎂水化程度加速，在后期產(chǎn)生過大的膨脹，水化產(chǎn)物在混凝土中聚集，造成水泥石之間的粘結(jié)力下降，引起彈性模量降低。在溫度匹配條件下，7 d齡期后混凝土彈性模量的變化并不明顯，摻MgO-4s混凝土28 d彈性模量為28.5 GPa，與7 d齡期基本持平，60 d彈性模量為29.8 GPa，較7 d齡期僅提高了4.2%，說明在該養(yǎng)護(hù)條件下，混凝土彈性模量的提高主要發(fā)生在早齡期（7 d），后期變化并不大。

3 結(jié)論

（1）溫度匹配養(yǎng)護(hù)條件下，外摻6%的MgO-2s和MgO-4s可提高混凝土早期（3 d、7 d）抗壓強(qiáng)度，但對(duì)后期（28 d、60 d）抗壓強(qiáng)度不利。

（2）摻MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的3 d、7 d抗折強(qiáng)度均較空白組有一定提高；養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)至60 d時(shí)，摻MgO-2s、MgO-4s、MgO-6s混凝土的抗折強(qiáng)度較空白組分別降低了6.2%、4.9%、3.7%。

（3）摻不同活性氧化鎂膨脹劑，混凝土試件在自由膨脹條件下始終處于微膨脹狀態(tài)；混凝土試件在限制膨脹條件下，摻MgO-6s混凝土隨著齡期的延長(zhǎng)，逐步表現(xiàn)出收縮狀態(tài)，但兩種情況下混凝土試件體積變形規(guī)律一致，補(bǔ)償收縮作用效果表現(xiàn)出摻MgO-2s最優(yōu)，摻MgO-4s次之，摻MgO-6s稍差。

（4）低活性氧化鎂可提高混凝土早期的彈性模量，但后期變化不大。