冉 璟,李 琛，李光偉

(中國水電顧問集團成都勘測設計院，四川 成都 610072)

1 前 言

大壩混凝土防裂是筑壩技術中待進一步研究的重要課題之一。混凝土裂縫尤其是貫穿性裂縫的產(chǎn)生將破壞水工大壩的整體性，甚至危及大壩自身或整個樞紐工程的安全。然而在工程實例中，許多混凝土壩都存在或多或少的裂縫，以至有“無壩不裂”[1]的說法。傳統(tǒng)的混凝土防裂措施主要采取溫度控制措施，如加冰拌和、水管冷卻、預冷骨料等。但是溫度控制措施受技術經(jīng)濟的制約，所起作用有限。因此，抗裂性能優(yōu)良的混凝土結合合理的溫度控制措施，是解決混凝土產(chǎn)生裂縫的最有效的途徑?；炷磷陨砜沽研阅芘c很多因素相關，如強度、極限拉伸值、絕熱溫升等都在一定程度上影響混凝土自身抗裂性。混凝土自生體積變形對抗裂性有著不容忽視的影響[2]。在大壩設計時，期望混凝土自生體積變形呈微膨脹狀態(tài)，以抵消部分混凝土溫降收縮變形，補償大壩溫度應力。在工程實例中混凝土自生體積變形往往呈收縮趨勢，對混凝土抗裂性能十分不利。改善混凝土自生體積變形性能逐漸成為亟待解決而又存在一定難度的重要問題。本文以壓蒸試驗作為安全性評價方法，著重探討了外摻氧化鎂對混凝土自生體積變形的改善作用；同時，研究了外摻氧化鎂混凝土其他基本性能，探究外摻氧化鎂在筑壩技術中的可行性。

2 試驗原材料及試驗條件

試驗采用PM·H42.5水泥，Ⅰ級粉煤灰，玄武巖骨料。氧化鎂滿足《水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質技術要求》要求。水泥、粉煤灰及氧化鎂主要性能指標見表1、2、3。

在水膠比、粉煤灰摻量等基本配合比參數(shù)相同的條件下，研究不同摻量氧化鎂對混凝土性能的影響。

3 外摻氧化鎂混凝土體積安定性

一般來說，在混凝土中加入氧化鎂，混凝土具有一定的膨脹特性，有利于混凝土壩的溫度應力補償設計和施工。但氧化鎂過量膨脹會帶來長齡期安定性問題，給大壩埋下安全隱患。因此利用壓蒸試驗代表長齡期氧化鎂的水化程度來判斷氧化鎂極限摻量十分重要。壓蒸安定性試驗參照GB/T750-1992進行，從加熱開始經(jīng)45～75min內使鍋內水蒸氣壓升至表壓2.0±0.05MPa(相當于215.7±1.3℃)，在該壓力下保持3h，然后在90min內冷卻至壓力低于0.1MPa，取出試件置于90℃以上的熱水中，在熱水中均勻注入冷水在15min內使水溫降至室溫，再經(jīng)15min取出試件進行測試。采用混凝土中的砂漿部分進行壓蒸安定性試驗，圖1顯示了不同氧化鎂摻量混凝土砂漿壓蒸安定性試驗結果。

表1 水泥性能指標

表2 粉煤灰性能指標

3 氧化鎂性能指標

在壓蒸試驗中，強烈的高溫高壓蒸汽處理，足以加速氧化鎂絕大部分完全水化，通過量測氧化鎂潛在膨脹長度來說明體積安定性。試驗結果顯示，壓蒸膨脹率隨氧化鎂摻量的增加而加大，尤其是摻量較大時。本次試驗，水泥內含氧化鎂為1.75%情況下，當外摻氧化鎂摻量小于5%時，試件安定性良好；當外摻氧化鎂摻量大于5%時，試件出現(xiàn)明顯彎曲變形現(xiàn)象。這說明當氧化鎂摻量在一定范圍內是安全的，但當摻量過大時，可能出現(xiàn)體積安定性不良問題，對大壩長期安全性埋下隱患。

4 外摻氧化鎂混凝土自生體積變形

氧化鎂的膨脹機理在于Mg(OH)2晶體的生成和生長，其在局部范圍內形成漿體產(chǎn)生膨脹。膨脹的直接驅動力來自于Mg(OH)2晶體的腫脹力和結晶壓力，在水化早期，Mg(OH)2晶體很細小，漿體的膨脹主要因于腫脹力，隨著Mg(OH)2晶體的長大，晶體的結晶生長壓力轉變?yōu)榕蛎浀闹饕獎恿3]。氧化鎂應用于混凝土中，可利用其膨脹性改善混凝土自生體積變形性能。圖2顯示了氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形的影響。

研究顯示，未摻氧化鎂混凝土自生體積變形呈收縮狀態(tài)，而摻加氧化鎂后，混凝土自生體積變形呈膨脹狀態(tài)，說明氧化鎂對混凝土自生體積變形有明顯改善作用。氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形膨脹值影響明顯，總體上呈現(xiàn)氧化鎂摻量越高，混凝土自生體積變形膨脹量越大的規(guī)律。這可能與氧化鎂水化產(chǎn)物量有關，即氧化鎂摻量越多，可供水化的方鎂石越多，水化產(chǎn)物的膨脹量越大，對混凝土自生體積變形收縮值的補償越多。氧化鎂對混凝土膨脹時間也有一定影響，氧化鎂摻量為3%、4%、5%、6%、7%的混凝土開始膨脹時間分別是133d、90d、77d、63d及42d，說明氧化鎂摻量越高膨脹開始時間越早，而氧化鎂摻量越低膨脹開始時間越晚。另外，膨脹收斂時間隨氧化鎂摻量的增加而延長?？偟膩碚f，不同摻量氧化鎂混凝土膨脹量快速增長期主要發(fā)生在50d～200d，這種獨特的延遲性膨脹性能，恰好符合大體積混凝土散熱慢、降溫收縮變形遲緩的特點，從而可抵消部分溫度變形，提高抗裂性能。

圖1 不同氧化鎂摻量混凝土砂漿壓蒸安定性試驗結果

圖2 氧化鎂摻量對混凝土自生體積變形的影響

5 外摻氧化鎂混凝土的其它基本性能

5.1 拌和物性能

在坍落度與含氣量控制基本一致的情況下，拌合物用水量與引氣劑摻量隨著氧化鎂摻量的增加而增加。不同氧化鎂摻量混凝土在適宜的用水量與引氣劑用量條件下拌和性能良好。圖3顯示了用水量、引氣劑摻量與氧化鎂摻量的關系。

5.2 抗壓強度與劈拉強度

氧化鎂摻量對混凝土強度性能有一定影響，當氧化鎂摻量較低時，這種影響不明顯，但隨著氧化鎂摻量增加，混凝土抗壓強度與劈拉強度均呈下降趨勢。這可能是因為氧化鎂摻量較高時，氧化鎂水化帶來的膨脹量過大，擠壓破壞了水泥石的微觀結構而產(chǎn)生微裂縫，以致混凝土強度降低。另外，各摻量氧化鎂混凝土的折壓比十分接近，說明其脆性相當。氧化鎂摻量與混凝土強度關系見圖4。

5.3 彈性模量與極限拉伸

氧化鎂摻量較低時，混凝土彈性模量變化不大，隨著氧化鎂摻量增加，混凝土彈性模量略有下降。極限拉伸值隨著氧化鎂摻量增加呈下降趨勢。氧化鎂摻量與混凝土彈性模量及極限拉伸關系見圖5。

5.4 耐久性能

與不摻氧化鎂混凝土一致，氧化鎂混凝土抗凍等級為大于F200，抗?jié)B等級為大于W16，抗凍等級與抗?jié)B等級均無變化，說明氧化鎂對混凝土耐久性基本無影響。

圖3 坍落度與含氣量控制基本一致下用水量、引氣劑摻量與氧化鎂摻量的關系

圖4 氧化鎂摻量與混凝土強度關系

圖5 氧化鎂摻量與混凝土彈性模量及極限拉伸關系

6 結 論

氧化鎂作為膨脹源外摻至混凝土中，利用氧化鎂水化所釋放的化學能轉變?yōu)闄C械能，產(chǎn)生壓應力抵消混凝土冷卻時形成的拉應力，限制混凝土膨脹以補償溫降過程中混凝土的限制收縮，具有廣闊的工程應用前景[4]。通過對外摻氧化鎂混凝土性能研究，得出主要結論如下：

(1)壓蒸膨脹率隨氧化鎂摻量的增加而明顯加大，氧化鎂摻量在一定范圍內是安全的，但氧化鎂摻量過大時，出現(xiàn)體積安定性不良問題，對大壩長期安全造成威脅。

(2)氧化鎂對混凝土自生體積變形有明顯改善作用，氧化鎂摻量越高，有效膨脹源越多，混凝土自生體積變形膨脹量越大，且膨脹開始時間越早，膨脹收斂時間越晚。氧化鎂混凝土具有延遲性膨脹性能，符合大體積混凝土散熱慢、降溫收縮變形遲緩的特點，從而抵消部分溫度變形，有利于提高混凝土抗裂性能。

(3)氧化鎂對混凝土拌和物性能、強度性能、彈性模量與極限拉伸、耐久性能等影響不大或基本無明顯影響。

綜上所述，氧化鎂對混凝土自生體積變形有明顯改善作用，但是同時也帶來了體積安定性問題。因此在實際工程中應用氧化鎂作為混凝土膨脹源必須嚴格進行安全性評價，選擇適宜摻量，即利用氧化鎂帶來的一定的微膨脹特性，又避免過量氧化鎂引起的長齡期安定性問題。

參考文獻：

[1] 朱伯芳,許平.加強混凝土壩面保護盡快結束“無壩不裂”的歷史[J].水力發(fā)電,2004(3)：25-28.

[2] 劉數(shù)華,方坤河.混凝土的自生體積變形的影響因素分析[J].湖北水力發(fā)電,2007(2):23-24.

[3] 鄧敏，等.水泥中MgO的膨脹機理[J].南京化工學院學報,1990,12(4):1-5.

[4] 袁明道,楊光華,李承木.MgO微膨脹混凝土的發(fā)展及自生體積變形的分析應用[J].水力發(fā)電,2004(A02):63-68.