氧化鎂膨脹劑在建筑工程中的應用研究

張盛，陳培標，付智,3，李源，吳帥

（1. 江蘇誠意工程技術研究院，江蘇 徐州 221131；2. 武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢441100；3. 交通部公路科學研究所，北京 100088）

氧化鎂膨脹劑在建筑工程中的應用研究

張盛1，陳培標1，付智1,3，李源2，吳帥1

（1. 江蘇誠意工程技術研究院，江蘇 徐州 221131；2. 武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢441100；3. 交通部公路科學研究所，北京 100088）

本文研究了在80℃ 水養護條件下，摻入不同摻量氧化鎂膨脹劑、粉煤灰的混凝土試件的膨脹性能和劈拉強度。結果表明，適當的氧化鎂摻量不僅使混凝土的膨脹值增大，而且對其劈拉、抗壓強度均有一定的影響，粉煤灰對氧化鎂的膨脹有明顯的抑制作用。之后的實體工程質量跟蹤中，工程實體外墻表面表明沒有出現貫穿性裂縫，強度符合設計要求。

氧化鎂膨脹劑；粉煤灰；安定性

0 前言

利用膨脹組分（硫鋁酸鹽、游離 CaO、游離 MgO等）在水化過程中產生體積膨脹，補償水泥基材料的收縮，是防止其收縮開裂的有效措施。傳統的膨脹水泥或膨脹劑中的主要膨脹組分有硫鋁酸鹽、鋁酸鹽和氧化鈣等[1-3]。

關于混凝土中氧化鎂對變形性能的影響，國內已有不少學者開展了相關的研究：如方坤河[4]研究了 MgO的品質、摻量、混凝土的養護溫度等因素對摻 MgO 混凝土變形性能的影響；鄧敏[5-6]等人研究了高溫養護和粉煤灰摻量對摻氧化鎂混凝土膨脹性能的影響等。在水工大壩混凝土中，利用輕燒 MgO 延遲微膨脹特性補償壩體混凝土降溫過程中產生的體積收縮，以提高混凝土自身的抗裂能力、簡化溫控措施，該技術已得到水工工程技術人員的廣泛認可。

與以鈣礬石作為膨脹源的傳統膨脹劑相比，MgO膨脹劑具有水化需水量少、膨脹過程可調控、水化產物穩定的優點，適用于補償大體積混凝土溫降收縮、混凝土自收縮和干燥收縮，可應用于普通工業、民用建筑工程、地下工程及交通工程[7-8]。目前氧化鎂膨脹劑在民用建筑工程中應用不多，江蘇誠意研究院與武漢三源特種建材合作進行氧化鎂膨脹劑相關性試驗研究，揭示了氧化鎂膨脹劑混凝土的性能特點和變化規律。本次科研試驗為徐州乃至淮海經濟地區氧化鎂膨脹劑混凝土的配合比設計奠定了一些的理論生產基礎，同時在保證混凝土安定性和力學性能符合規范要求的前提下，進行了建筑工程中的應用研究，具有一定的工程應用指導意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：江蘇誠意水泥 P·O42.5普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量29.4%，初凝時間136min，終凝時間189min，比表面積為350m2/kg，28d 抗壓和抗折強度分別為48.6MPa、8.6MPa，其化學成分見表1。

粉煤灰：徐州華潤電力 F 類 I 級粉煤灰，需水量比94%，含水量0.2%，細度9.2%，燒失量4.7%，其化學成分見表1。

膨脹劑：武漢三源特種建材有限責任公司 MAC 型鎂質高性能混凝土抗裂劑，檸檬酸法[7]測定 MgO 的活性指數為290s，其化學成分見表1。

減水劑：徐州鑄建科技有限公司生產的聚羧酸高效減水劑 ZJ-3，減水率28%。

粗集料：徐州明陽采石場生產的5～31.5mm 連續級配、壓碎值8%、含泥量0.3% 的碎石。

細集料：細度模式為2.7，含泥量0.8% 的江砂。

表1 水泥、粉煤灰和氧化鎂膨脹劑的化學組成 w t%

1.2 試驗方法

在進行混凝土試件配比調整試驗時，固定不變的基準配合比如表2所示。粉煤灰摻入量為0時，調整氧化鎂的摻量為0、5%、8%、10% 進行4組試驗；粉煤灰摻入量為25% 時，調整氧化鎂的摻量為0、5%、8%、10% 進行4組試驗；粉煤灰摻入量為50% 時，調整氧化鎂的摻量為0、5%、8%、10% 進行4組試驗[6]，12組試驗配合比如表3所示。

表2 基準配合比 k g/m3

表3 試驗配合比 k g/m3

以上12組不同配合比試件成型，外加劑摻量根據工作狀態進行適當調整，坍落度控制在 (180±20)mm。成型用75mm×75mm×285mm 棱柱體金屬試模（兩端可埋設不易銹蝕的金屬測頭）、規格為100mm×100mm×100mm 的立方體試模，然后將成型好的試件按 DL/T5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》附錄 B 摻氧化鎂混凝土的安定性試驗方法進行養護，在7、14、28、45、60、75、90d 齡期時測其膨脹率，測80℃ 水養護90d 齡期時的抗壓強度、劈裂抗拉強度，數據結果如表4和表5、6所示。

表4 不同齡期下的膨脹率測試結果 %

表5 90d 抗壓測試結果 MP a

表6 90d 劈拉測試結果 MP a

1.3 試驗結果與分析

在80℃ 水養護條件下，上述不同配合比試件的膨脹情況如圖1～3所示，結果表明：粉煤灰摻量為0時，不同氧化鎂摻量的試件在28d 后膨脹趨于穩定；粉煤灰摻量為25% 時，不同氧化鎂摻量的試件在45d 左右膨脹趨于穩定；粉煤灰摻量為50% 時，不同氧化鎂摻量的試件在60d 后膨脹趨于穩定；氧化鎂摻量越大，其有效膨脹源越多，試件的膨脹率就越大；由于粉煤灰可以與氧化鎂的水化產物——氫氧化鎂作用減少膨脹源，同時粉煤灰可能包圍氧化鎂顆粒，阻止氧化鎂膨脹劑水化反應，所以粉煤灰對氧化鎂膨脹劑水化膨脹有抑制作用[9]；氧化鎂摻量10% 以內，不同煤灰摻量的試件均未發生彎曲、龜裂現象。

圖1 粉煤灰摻量為0時混凝土的膨脹率

圖2 粉煤灰摻量為25% 時混凝土的膨脹率

圖3 粉煤灰摻量為50% 時混凝土的膨脹率

如圖4所示，80℃水養護90d 時，5%、8%、10%氧化鎂摻量的混凝土對強度的影響不大，隨著氧化鎂摻量的提高（10% 以內），試件的強度還略有增長；氧化鎂摻量大于5% 時，粉煤灰摻量由0至25% 時，試件的90d 抗壓強度略有提高，這是由于氧化鎂的水化膨脹與粉煤灰火山灰效應相疊加，使混凝土更加密實，提高混凝土后期強度；相同氧化鎂摻量，粉煤灰摻量由25%至50% 時，試件的抗壓強度降低，因為當粉煤灰摻量較大時，混凝土內水泥用量相對減少，混凝土內界面黏結強度降低，從而降低了混凝土的抗壓強度[5]。

從圖5中可以看出，氧化鎂摻量為0時，25% 粉煤灰摻量的試件劈拉強度最高；隨著氧化鎂摻量的提高（0～8%），試件的劈拉強度逐漸增高，這是由于膨脹產物填充于較大孔徑之中，優化了孔結構，改善了孔徑分布，降低了漿體空隙率，使混凝土內部更加密實[10]；未摻粉煤灰的試件在氧化鎂摻量達到10% 時，劈拉強度明顯降低，可見當氧化鎂摻量過大，引起過大的膨脹時，對混凝土劈拉強度的提高沒有貢獻，相反會導致強度降低；對于粉煤灰摻量50% 的混凝土，當氧化鎂摻量達到8% 時，其劈拉強度仍繼續增高，其原因可能是隨著粉煤灰摻量的提高抑制了氧化鎂混凝土的膨脹，使得混凝土內部結構更加密實從而提高了其劈拉強度。

圖4 混凝土90d 抗壓強度

圖5 混凝土90d 抗劈拉強度

根據 DL/T5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》對摻氧化鎂混凝土的安定性評價指標要求，按上述基準配合比10% 以內外摻氧化鎂混凝土其安定性判定合格。

2 MgO 膨脹劑的應用跟蹤

2.1 項目概況

該項目位于徐州市高鐵商務區，地下建筑面積6755m2，外墻設計等級為 C35。

2.2 工程配合比

根據外摻氧化鎂膨脹劑混凝土的安定性試驗結果，在確保混凝土安定性合格和滿足力學性能要求的前提下，綜合成本因素，選取氧化鎂膨脹劑摻量為8%，工程應用配合比如表7所示。

表7 外摻氧化鎂膨脹劑混凝土配合比 k g/m3

2.3 澆筑過程

澆筑過程中，隨時監測混凝土溫度變化，嚴格控制混凝土攪拌前原材料溫度及入模溫度。

混凝土澆筑完成后，利用預埋入式應變計監測混凝土內部應變及溫度（圖6），保證混凝土模板在溫峰值達到后開始拆模，從而降低溫度裂縫產生的幾率。

圖6 預埋入式應變計綁扎于外墻鋼

圖7 為應變溫度與環境溫度變化的曲線圖

如圖7所示，該段混凝土入模溫度為25.8℃，在25h 左右達到溫度峰值44.7℃，此時環境溫度為19℃。此后混凝土內部溫度逐漸下降，至140h 溫度降至16℃，此時環境溫度約為16℃，拆模之后24h 觀察，未發現裂縫。

2.4 試驗跟蹤情況

2.4.1 混凝土力學性能檢測

試件成型按照 GB/T50081—2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，其試驗結果如表8所示，三種條件檢測下混凝土抗壓強度均符合設計要求。標準養護條件下混凝土抗壓及劈拉強度最高，同條件（28d平均日氣溫12℃）混凝土抗壓及劈拉強度最低。

表8 混凝土力學性能檢測結果

2.4.2 混凝土收縮試驗

收縮試驗按照 GB/T50082—2016《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法標準》進行如圖8，標準養護即試件放置于溫度 (20±2)℃、相對濕度保持在(60±5)% 中養護，并定期進行數據統計，包裹標養試件先采用塑料薄膜包裹密封后，放置于溫度(20±2)℃、相對濕度保持在 (60±5)% 中養護，并定期進行數據測量統計；同條件養護和包裹同養試件，即養護環境換成了室外，并定期進行數據測量統計。

圖8 收縮試驗

收縮試驗結果如圖9所示，由于同條件氣溫較低，混凝土內部水化反應較慢，其變形比標準養護條件下小；無論標養還是同條件，包裹狀態下的試件比非包裹狀態變形小，這也反映了混凝土澆筑成型后前期養護對其收縮變形的重要性。

圖9 8% 氧化鎂膨脹劑混凝土試驗變形數據統計

2.4.3 補償混凝土收縮試驗

如表9所示，8% 摻量的氧化鎂膨脹劑其水中14d未能達到國家規范要求≥0.015%，但水中14d 轉空氣中28d 養護后，其限制膨脹率符合國家規范要求，這是由于輕燒氧化鎂具有獨特的延遲性微膨脹性能[11]。

表9 補償混凝土限制膨脹率

2.5 工程實體成型情況

澆筑完畢140h 后拆模至今，工程主體基礎外墻未發現一道貫穿性裂縫，如圖10所示，表明適當摻量的輕燒氧化鎂膨脹劑對混凝土的成型外觀及耐久性能無不利影響。

圖10 外墻外觀

4 結語

（1）80℃ 水養護時，隨著氧化鎂摻量的提高，混凝土的膨脹值逐漸增大，60d 后膨脹趨于穩定；隨著粉煤灰摻量的提高，粉煤灰對氧化鎂水化膨脹具有明顯的抑制作用，從而可以提高混凝土中氧化鎂的安定摻量；適量的氧化鎂與粉煤灰雙摻，可以改善混凝土的力學性能。

（2）在試件包裹狀態下，混凝土變形收縮值明顯變小，所以混凝土初凝開始時就應該采取養護措施，可降低混凝土收縮變形從而達到降低裂縫發生的幾率。

（3）外摻氧化鎂混凝土其前期限制膨脹率檢測結果較小，但其28d 限制膨脹率符合規范要求，反映出氧化鎂膨脹劑具有延遲性微膨脹變形的性能。

（4）根據研究結果和實際應用表明氧化鎂膨脹可以用于民建工程中，建議推廣，同時筆者也希望后期的國家混凝土膨脹劑規范中會納入氧化鎂膨脹劑。

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［通訊地址］江蘇省徐州市經濟開發區大黃山村 江蘇誠意工程技術研究院（221131）

Study on application of MgO expansion agent in building engineering

Zhang Sheng1, Chen Peibiao1, Fu Zhi1,3, Li Yuan2, Wu Shuai1
(1. Jiangsu Chengyi Engineering Technology Research Institute, Xuzhou 221231;2. Wuhan Sanyuan Special Building Materials Co., Ltd., Wuhan 441100;3. Highway Science Research Institute of Ministry of Communications, Beijing 100088)

The expansion and splitting strength of expansive agent and fl y ash concrete specimens with different dosages of MgO expansive agent and fl y ash concrete under water curing condition were studied. The results show that the proper amount of MgO addition can not only increase the expansion value of concrete, but also influence the splitting tensile strength and compressive strength of fl y ash. The fl y ash has obvious inhibiting effect on the expansion of MgO. Then the quality tracking of the solid project is carried out, and the exterior wall of the engineering entity shows that there is no penetrating crack and the strength meets the design requirements.

MgO expansion agent; fl y ash; stability

張盛（1985—），男，工程師，在職碩士。現供職于交通部專家付智博士為首的技術工作團隊江蘇誠意工程技術研究院，擔任混凝土科研中心主任。