郭城瑤，秦哲煥,朱國(guó)軍,徐 可

(武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，武漢 430083)

混凝土在水化硬化的過(guò)程中，除了混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生體積收縮[1]。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，這種體積收縮往往受到外界約束的限制并產(chǎn)生收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂[2,3]。為了抵消混凝土在收縮過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少或防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，目前較為常見(jiàn)的方法是用膨脹水泥或在普通混凝土中摻入適量膨脹劑配制成補(bǔ)償收縮混凝土。其原理是利用膨脹組分水化產(chǎn)生的壓應(yīng)力來(lái)抵消混凝土收縮引起的拉應(yīng)力。而傳統(tǒng)膨脹劑因其膨脹源鈣礬石物理化學(xué)性質(zhì)的不穩(wěn)定所以存在諸多缺陷。與之相比，氧化鎂膨脹劑具有水化需水量少、水化速率相對(duì)較慢、膨脹性能可控、膨脹時(shí)間長(zhǎng)且早期膨脹量小，后期膨脹量大、水化產(chǎn)物穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[4,5]。

關(guān)于氧化鎂膨脹劑國(guó)內(nèi)已有不少研究：如崔雪華等[6]研究了摻氧化鎂水泥的膨脹規(guī)律及其影響因素，結(jié)果表明摻氧化鎂水泥的膨脹反應(yīng)較一般膨脹水泥發(fā)生得遲，即具有延遲膨脹的的性能，且在3～5 d時(shí)，膨脹速率最大，可用于解決大壩工程混凝土的溫控問(wèn)題。李承木[7]在對(duì)摻氧化鎂混凝土自生體積變形的長(zhǎng)期試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：1)氧化鎂混凝土的膨脹速率、膨脹率以及膨脹穩(wěn)定時(shí)間是可以控制的；2)氧化鎂混凝土的自身體積變形是穩(wěn)定的，既不會(huì)無(wú)限膨脹也不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫濕度的變化而產(chǎn)生回縮現(xiàn)象。紀(jì)憲坤等[8]在基于溫度-應(yīng)力試驗(yàn)的摻膨脹劑混凝土性能研究中發(fā)現(xiàn)：在膨脹劑摻量為10%的條件下，鎂質(zhì)膨脹劑可以明顯提高混凝土的早期抗開(kāi)裂性能，而鈣質(zhì)膨脹劑由于水化放熱量大、水化速率較快，不宜用于大體積混凝土的裂縫控制。目前，氧化鎂膨脹劑在橋梁工程中的應(yīng)用研究還比較少，可供工程人員參考的數(shù)據(jù)不多?；诖?，研究了氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土力學(xué)性能、限制膨脹率的影響以及在某橋梁主塔工程中的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為云南紅塔滇西水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO 52.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為云南宣威電廠生產(chǎn)的I級(jí)粉煤灰；膨脹劑為武漢三源特種建材有限責(zé)任公司MAC型鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑；粗集料為虎跳峽鎮(zhèn)俄迪砂石廠生產(chǎn)級(jí)配為5～10 mm∶10～20 mm=3∶7的碎石；細(xì)集料為跳峽鎮(zhèn)大崖洞砂石廠生產(chǎn)的II區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；減水劑為云南宸磊建材有限公司生產(chǎn)的HLPCA減水劑；試驗(yàn)用水為自來(lái)水，符合JGJ63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2 方法

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 50081《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行?；炷料拗婆蛎浡蕝⒄誈B/T 23439《混凝土膨脹劑》附錄B進(jìn)行試驗(yàn)?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)溫度分別為20 ℃和40 ℃，達(dá)到規(guī)定齡期進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)試。

混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn):試驗(yàn)以北京某公司生產(chǎn)的溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)可得到混凝土早齡期熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)14個(gè)，開(kāi)裂綜合指標(biāo)：開(kāi)裂溫度；開(kāi)裂核心指標(biāo)：開(kāi)裂應(yīng)力、室溫應(yīng)力和應(yīng)力儲(chǔ)備；開(kāi)裂細(xì)化指標(biāo)：澆筑溫度、溫升時(shí)間、出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)間、第一零應(yīng)力溫度、第一零應(yīng)力時(shí)間、最大壓應(yīng)力、溫升出現(xiàn)時(shí)間、溫升、第二零應(yīng)力溫度和第二零應(yīng)力時(shí)間。試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三部分：約束變形試驗(yàn)裝置、自由變形試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。溫度應(yīng)力試驗(yàn)的模式采用絕熱溫升模式，絕熱溫升模式是試件中心溫度達(dá)到溫峰后保溫為48 h，然后開(kāi)始降溫，降溫速率為1 ℃/h。

1.3 混凝土配合比

為了研究不同摻量下氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及混凝土限制膨脹率的發(fā)展規(guī)律，混凝土的配合比如表1所示。KB為不摻氧化鎂膨脹劑的空白對(duì)照組；M-4、M-6、M-8分別為氧化鎂膨脹劑摻量為4%、6%、8%的試驗(yàn)組，摻入方式為內(nèi)摻，等量取代粉煤灰用量，調(diào)整減水劑摻量控制各組混凝土坍落度保持一致。

表1 混凝土配合比 /(kg·m-3)

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土力學(xué)性能

摻4%、6%和8%MgO膨脹劑混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

由圖1可以看出，摻氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度略有降低，氧化鎂膨脹劑摻量為4%時(shí)，混凝土3 d、7 d、28 d、強(qiáng)度分別下降了4.1%、1.9%、2.6%；摻量為6%時(shí)，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%；摻量為8%時(shí)，強(qiáng)度降低較為明顯，3 d、7 d、28 d分別降低了9.3%、5.3%、9.6%，下降的幅度均在10%以內(nèi)。由此可知，MgO膨脹劑摻量為6%時(shí)，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%，摻量為4%和8%，強(qiáng)度均表現(xiàn)為降低，因此6%摻量的氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

2.2 摻MgO膨脹劑混凝土限制膨脹率

在20 ℃和40 ℃養(yǎng)護(hù)條件下，摻MgO膨脹劑混凝土限制膨脹率見(jiàn)圖2、圖3。

從圖2可以看出，在鋼筋限制約束條件下，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)，不摻MgO膨脹劑的空白對(duì)照組處于先膨脹后收縮的狀態(tài)，4%、6%、8%MgO膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，摻4%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.020%；摻6%MgO膨脹劑混凝土28 d混凝土限制膨脹率為0.028%；摻8%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.041%。

從圖3可以看出，在鋼筋限制約束條件下，養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時(shí)，不摻MgO膨脹劑的空白對(duì)照組處于先膨脹后收縮的狀態(tài)，4%、6%、8%MgO膨脹劑摻量下混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，摻4%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.039%；摻6%MgO膨脹劑混凝土28 d混凝土限制膨脹率為0.053%；摻8%MgO膨脹劑混凝土的28 d限制膨脹率為0.065%。

由圖2、圖3可以看出，養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時(shí)，相同MgO膨脹劑摻量下混凝土的限制膨脹率均高于養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)的膨脹率。因此說(shuō)明，高溫可以促進(jìn)混凝土中MgO膨脹劑的水化，這使得MgO膨脹劑在大體積混凝土中的應(yīng)用更加有利，大體積混凝土早期水化升溫放熱較快，加速M(fèi)gO膨脹劑的水化。

綜上所述，在混凝土中，摻MgO膨脹劑使得混凝土具有微膨脹性能，可滿足實(shí)際工程的抗裂要求。同時(shí)，基于混凝土抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)分析，MgO膨脹劑的最佳摻量為6%。

2.3 混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn)

空白混凝土與摻6%氧化鎂的混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

1)開(kāi)裂應(yīng)力：開(kāi)裂應(yīng)力越大表示抗裂性能越好。由表2可知，摻6%氧化鎂試驗(yàn)組相比空白組開(kāi)裂應(yīng)力提高了12.7%。從開(kāi)裂應(yīng)力指標(biāo)分析，摻氧化鎂膨脹劑的混凝土抗裂性能優(yōu)于空白組混凝土。

2)開(kāi)裂溫度：開(kāi)裂溫度反映了混凝土的綜合性能指標(biāo)，開(kāi)裂溫度越低，混凝土抗早期溫度應(yīng)力開(kāi)裂的能力越高。由表2可知，空白組開(kāi)裂溫度為4.9 ℃，摻6%氧化鎂試驗(yàn)組開(kāi)裂溫度為-18.5 ℃且開(kāi)裂時(shí)間相比空白組延長(zhǎng)了9.5 h。從開(kāi)裂溫度指標(biāo)分析，摻氧化鎂膨脹劑大大提升了混凝土的抗裂性能。

3)應(yīng)力儲(chǔ)備：混凝土開(kāi)裂應(yīng)力和室溫應(yīng)力的差值與開(kāi)裂應(yīng)力的比值，反應(yīng)混凝土降溫至室溫環(huán)境時(shí)，儲(chǔ)備的應(yīng)力大小，應(yīng)力儲(chǔ)備越大，混凝土的抗裂性能越好。由表2可知，摻6%氧化鎂試驗(yàn)組相比空白組應(yīng)力儲(chǔ)備提高了73.8%。從應(yīng)力儲(chǔ)備指標(biāo)分析，摻6%氧化鎂膨脹劑能大幅提高混凝土的抗裂性能。

表2 混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)

綜上，采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的方法定量評(píng)價(jià)混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，從開(kāi)裂應(yīng)力、開(kāi)裂溫度、應(yīng)力儲(chǔ)備三個(gè)指標(biāo)分析，均表明摻入6%氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，使得大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3 實(shí)際工程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析

湖北某橋梁工程主塔高18 m，分上、中、下三次澆筑，一次性澆筑6 m，截面尺寸為3.2 m×3.2 m，屬于大體積混凝土施工。為更全面了解氧化鎂膨脹劑在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，分別選取主塔上游和下游為空白段和氧化鎂試驗(yàn)段，鋼筋綁扎在塔柱中心部位預(yù)埋振弦式應(yīng)變計(jì)，同時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部應(yīng)變和溫度的發(fā)展歷程。空白段與氧化鎂試驗(yàn)段中心溫度及應(yīng)變見(jiàn)圖4、圖5。

由圖4可以看出，空白段與氧化鎂試驗(yàn)段中心溫度發(fā)展規(guī)律基本一致，在澆筑完成后0～2 d內(nèi)急劇升溫，3 d左右達(dá)到溫峰，溫峰值在80 ℃左右，隨后開(kāi)始溫降階段。

由圖5可以看出，空白段混凝土在澆筑后0.5 d即完成膨脹，應(yīng)變值最大為60.12×10-6，之后開(kāi)始收縮，應(yīng)變最大值與最小值差值為144.57×10-6；氧化鎂試驗(yàn)段在澆筑后1.5 d即完成膨脹，應(yīng)變最大值為94.25×10-6，應(yīng)變最大值與最小值差值為72.4×10-6。與空白段相比氧化鎂試驗(yàn)段持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)了1 d且最大膨脹值也增加34.13×10-6。這表明在水泥水化反應(yīng)完成后，氧化鎂抗裂劑仍在膨脹反應(yīng)，從而大大降低大體積混凝土因溫降產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

a.MgO膨脹劑摻量為6%時(shí)，僅3 d強(qiáng)度降低了6.2%，7 d、28 d強(qiáng)度分別提高了10.1%、0.2%；摻量為4%和8%時(shí)，強(qiáng)度均表現(xiàn)為降低，因此6%摻量的氧化鎂膨脹劑對(duì)混凝土的強(qiáng)度有促進(jìn)作用。

b.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃和40 ℃時(shí)，氧化鎂膨脹劑摻量越高，混凝土限制膨脹率均隨齡期逐漸增加，且養(yǎng)護(hù)溫度為40 ℃時(shí)，相同MgO膨脹劑摻量下混凝土的限制膨脹率均高于養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時(shí)的膨脹率，因此說(shuō)明，高溫可以促進(jìn)混凝土中MgO膨脹劑的水化，這使得MgO膨脹劑在大體積混凝土中的應(yīng)用更加有利，大體積混凝土早期水化升溫放熱較快，加速M(fèi)gO膨脹劑的水化。

c.采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)的方法定量評(píng)價(jià)混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，與空白組相比，摻6%氧化鎂試驗(yàn)組開(kāi)裂應(yīng)力提高了12.7%；開(kāi)裂溫度降低了23.4 ℃且開(kāi)裂時(shí)間延長(zhǎng)了9.5 h；應(yīng)力儲(chǔ)備提高了73.8%。三個(gè)指標(biāo)均表明摻入6%氧化鎂可以提高混凝土的抗裂性能，使得大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

d.通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用可知，與空白段相比氧化鎂試驗(yàn)段持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)了1 d且最大膨脹值也增加34.13×10-6。這表明在水泥水化反應(yīng)完成后，氧化鎂抗裂劑仍在發(fā)生膨脹反應(yīng)，從而大大降低了大體積混凝土因溫降產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。